Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное агентство по образованию
Тверской государственный технический университет
В.В. Чернышев, П.А. Ступак
Учебное пособие
Издание первое
Изучение конструкции муфт и элементов
их проектирования с использованием
информационных технологий
Тверь 2009
УДК 621.81.+621.01.001
Чернышев, В.В. Изучение конструкции муфт и элементов их проектирования с использованием информационных технологий: учеб. пособие. / В.В. Чернышев, П.А. Ступак. Изд. 1-е. Тверь: ТГТУ, 2009. 112 с.
Посвящено изучению раздела «Механические муфты» и предназначено для подготовки материалов к выполнению лабораторных, практических занятий, курсового проектирования и отработке методики автоматизации проектных операций с использованием информационных технологий. Приведены классификация муфт механического принципа действия, технические характеристики и особенности применения наиболее распространенных типов, показаны примеры организации материалов баз данных, необходимых для автоматизации операций подбора серийных и нетиповых обсуждаемых узлов и элементы их проектирования.
Описания конструкций муфт, принципов их работы иллюстрируются трехмерными моделями, которые позволяют значительно быстрее и качественнее изучить узел и его отдельные детали, порядок сборки и разборки. Приведены также диалоги, позволяющие полностью автоматизировать процесс подбора серийных муфт. Включает описание методики построения трехмерных моделей.
Предназначено для студентов механических специальностей (ТМС, СДМО, МАПП, МАХП, ТМО, СТМ), изучающих дисциплины «Детали машин и основы конструирования», «Детали машин», «Техническая механика» и выполняющих курсовой проект, курсовую работу и РГР по этим дисциплинам. Может быть полезно при выполнении дипломных проектов, включающих использование таких средств информационных технологий как трехмерное (3D) моделирование, организация материалов для баз данных и интерактивных диалогов по подбору серийного оборудования.
Рецензенты: ведущий научный сотрудник лаборатории инновационных и нанотехнологий Тверской ГСХА, д.т.н., проф. Козырев В.В.; д.т.н. проф. Кондратьев А.В., к.т.н. доц. Корнев Г.П. (ТГТУ, кафедра строительных и дорожных машин и оборудования).
ISBN © Тверской государственный
технический университет, 2009
ВВЕДЕНИЕ
Муфты являются традиционной сборочной единицей, разрабатываемой при курсовом проектировании. Сравнительная простота конструкции, незначительное количество деталей, небольшой объем расчетных операций предоставляют уникальную возможность ознакомиться с методами автоматизации проектирования муфт с использованием современных инструментов информационных технологий. Пособие содержит четыре раздела и приложение.
В первом разделе рассматривается классификация муфт, особенности их применения, технические характеристики, устройство и принцип действия. Материалы по классификации построены в иерархическом плане, позволяющем в дальнейшем организовать интерактивный диалог в программах автоматизированного выбора типа и типоразмера серийных муфт. Изучение устройства муфт и принципа их действия осуществляется с использованием трехмерных (3D) моделей обсуждаемых узлов в сборке и разобранном состоянии, что обеспечивает более эффективное самостоятельное освоение учебного материала. При работе на компьютере появляется дополнительная возможность рассматривать сборочные единицы с любой точки обзора, проводить операций виртуальной разборки и сборки и углубленно изучать каждую деталь узла.
Второй раздел посвящен методам автоматизации операций подбора типа и типоразмера серийных муфт с помощью визуализированного интерактивного диалога, который в определенной мере может использоваться при проектировании нетиповых конструкций обсуждаемых узлов. На первом этапе задачи также в диалоге формируется техническое задании (ТЗ) на подбор муфты. Этот документ построен на базе схемы, обеспечивающей универсализацию операций автоматизации составления ТЗ по всей структурной иерархии сложных технических объектов. Разработка ТЗ осуществляется по типовым блокам: назначение и типовая разновидность, условия эксплуатации, параметры эксплуатации, параметрические ограничения. Формирование блоков может осуществляться автоматически, путем переадресации информации из вышестоящих в иерархии структурных элементов, и непосредственно проектантом с использованием интерактивного диалога. Информационное обеспечение операций подбора муфты, а также построение 3D моделей муфты и ее отдельных компонентов осуществляется посредством разработанных типовых баз данных, пример формирования материалов к которым приведен в пособии.
В третьем разделе рассмотрены общие вопросы методики построения трехмерных моделей муфт и их отдельных деталей. Приведены примеры получения трехмерных изображений рассматриваемых сборочных единиц.
Четвертый раздел посвящен силовому и прочностному анализу муфт механического принципа действия и принципам расчета их силовых элементов по соответствующим критериям работоспособности. Материал раздела содержит примеры расчета типовых конструкций.
В приложении пособия включены материалы по дополнительным конструктивным исполнениям рассмотренных в первом разделе муфт, которые углубят анализ конструкции муфт и будут способствовать отработке новых решений при выполнении курсовых проектов.
В разработке твердотельных моделей муфт принимали активное участие студенты А. Козлов, П. Хорошенков, Д. Дружков, С. Чаплыгин, И. Яковлев, Е. Волохин, А. Михайлова и др. Авторы выражают им искреннюю благодарность за оказанную помощь.
Раздел 1. Муфты, их классификация
и особенности применения
Лабораторные занятия. Курсовое проектирование
Цель занятий – изучение типовых конструкций муфт, приемов описания их устройства с использованием трехмерных (3D) моделей, а также приемами унифицированного представления информационных материалов об особенностях назначения разнообразных муфт.
Задачи работы:
Занятие первое
1. Изучение назначения муфт.
2. Изучение классификаций муфт механического принципа действия и особенности их применения.
3. Разработка форм унифицированного представления информационных материалов об особенностях назначения муфт для автоматизации подбора их серийных конструкций.
Занятие второе
4. Изучение устройства конструктивных типов муфт, их исполнений и особенностей применения.
5. Подготовка информационных материалов для баз данных по выбору серийных муфт с помощью интерактивного диалога.
Занятие первое
Муфты являются многофункциональными техническими объектами и они предназначены:
1. Соединять соосные валы отдельных узлов и механизмов, а также разнообразные детали (зубчатые колеса, звёздочки, шкивы и т.п.) с валами (в дальнейшем – просто валов) с целью передачи между ними крутящего момента.
2. Компенсировать несоосность соединяемых валов. Необходимость компенсирующих свойств муфт возникает в связи с тем, что при соединении валов сборочных единиц изделий имеет место смещение их осей вследствие неточности изготовления, монтажа, нагрузочных и тепловых деформаций валов. Различают смещения осевые (Δl), радиальные (Δr), угловые (Δα), рис. 1.1. На практике в большинстве случаев встречаются различные комбинации этих смещений. Несоосность осей валов усложняет монтаж муфт и условия их работы. По этой причине смещения осей ограничивают.
3. Снижать ударные динамические нагрузки, интенсивность вибрации, устранять опасность резонансных явлений. Потребность в снижении динамических нагрузок, интенсивности колебательных процессов возникает в быстроходных элементах машин при эксплуатации в нестационарных (неустановившихся) режимах работы. Обязательным компонентом муфт, применяющихся в подобных ситуациях, является упругий элемент, который способен аккумулировать кинетическую энергию динамических процессов, преобразовывать её в потенциальную энергию деформации и тепловую энергию работ сил трения. Кроме того, подобные муфты могут изменять собственную частоту колебаний за счет изменения жесткости упругих элементов с изменением их деформации и предотвращают явление резонанса.
Рис. 1.1. Отклонения от соосности соединяемых валов:
а – соосное расположение валов;
б, в, г, д – оси валов имеют смещения
(осевое – Δl, радиальное – Δr, угловое – Δα и комбинированное)
4. Предохранять элементы машин от недопустимых кратковременных перегрузок в машинах ударного действия, обладающих значительной инерционностью отдельных звеньев и ведущих обработку сред неоднородной структуры, при эксплуатации в неустановившихся режимах работы, в которых перегрузки могут в 2 – 3 и более раз превышать номинальные. Такие кратковременные перегрузки вызывают статические (квазистатические) разрушения элементов машин. Для исключения подобных перегрузок используют специальные муфты, в которых при перегрузках происходит взаимное крутильное угловое смещение ведущих и ведомых элементов с фрикционной, расцепляющейся связью или разрушение специально предусмотренного легко заменяемого звена в силовой цепи. Последний тип муфт целесообразно использовать лишь при сравнительно редких значительных перегрузках.
5. Управлять работой машин. В некоторых случаях управлять отдельными машинными операциями рациональнее с помощью муфт. К примеру, в машинах, механизмах с частыми пусками и остановками исполнительного (рабочего) органа возникает необходимость кратковременного разобщения кинематической цепи, соединяющей работающий двигатель с исполнительным органом. Иногда требуется передача крутящего момента с двигателя на рабочий орган в одном направлении при равенстве угловых скоростей ведущего и ведомого элементов и разобщение их, если скорость ведомого превысит скорость ведущего (например, в велосипеде). В иных случаях требуется соединение ведущего и ведомого элементов в случае достижения ведущим определенной скорости. В описанных случаях управляющие функции рационально выполнять не специальными устройствами, а совместить их с основной задачей муфт.
Основными конструктивными элементами муфт являются ведущая 1, ведомая 2 полумуфты и соединительный элемент (силовая цепь) 3 для их соединения (рис. 1.1). Каждая полумуфта выполняет функции передачи крутящего момента между ними и валами. Полумуфты нередко практически одинаковы и могут быть взаимозаменяемыми. Различия между ними часто касаются лишь формы или размеров посадочных отверстий, а также исполнения соединения «вал – ступица». Современные стандарты на муфты обычно предусматривают возможность варьирования формы и диаметров отверстий ведущей и ведомой полумуфт в пределах набора значений, предусмотренных для каждого типоразмера, а также типом указанных соединений. В силу взаимозаменяемости полумуфт в подобных случаях их не разделяют. Однако для понимания принципа действия, силового анализа муфт и оформления конструкторских документов такое разделение является целесообразным и используется в настоящей работе.
Разнообразие прямых и дополнительных функций муфт, многообразие средств их реализации определили широкий набор конструкций обсуждаемого узла и развёрнутую их классификацию. В качестве первичного признака классификации муфт можно принять принцип передачи крутящего момента между ведущим и ведомым элементами. По этим признакам выделяют муфты механические, гидравлические, пневматические и электромагнитные. В муфтах механического принципа действия передача движения осуществляется посредством контакта твёрдых тел. Такие муфты наиболее просты по конструкции, надежны в работе, имеют минимальные потери энергии, универсальны по возможности реализации перечисленных функций и потому в современном машиностроении наиболее распространены. Муфты механического принципа действия и приняты в настоящей работе объектом изучения.
Многообразие механических муфт и возможность сложного их комбинирования затрудняет строгую типизацию подобных устройств. Упрощенный вариант классификации, распространенный в технической литературе [1; 2], показан на рис. 1.2. Отличие предлагаемой классификации от приведенной в источниках заключается в том, что она построена в иерархической последовательности, обеспечивающей формализацию этапа подбора типа и типоразмера изучаемых устройств в интерактивном диалоге, суть которого изложена во втором разделе пособия.
Рассматриваемые по первичному классификационному функциональному признаку муфты подразделяются по классам на нерасцепляемые, расцепляемые самодействующие (автоматические), расцепляемые управляемые (сцепные). Муфты первого класса не допускают разобщения валов без их разборки или демонтажа одного из соединяемых элементов. Расцепляемые муфты обеспечивают разобщение валов без остановки двигателя. При этом в муфтах второго типа разобщение происходит автоматически при достижении установленного значения параметра (T, n и т.д.). В соответствии с перечисленными характерными свойствами каждого из указанных типов муфт можно определить и особенности применения каждого из них.
Нерасцепляемые муфты применяют в машинах и механизмах, в которых при их эксплуатации не требуется разобщение соединяемых элементов либо подобные разобщения производятся на остановленных технических объектах с целью проведения профилактических, ремонтных и других плановых работ и при аварийных ситуациях. В функциональном плане среди нерасцепляемых принято выделять муфты: жесткие неподвижные, жесткие компенсирующие и упругие компенсирующие в зависимости от типа связи соединяемых валов (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Классификация муфт
Жесткие неподвижные муфты образуют жесткое соединение валов, к соосности которых предъявляются повышенные требования. Допустимое радиальное смещение осей валов не должно превышать (3 … 5) мкм. Отечественные серийные муфты данного типа производятся для передачи крутящих моментов Т = =(1,0 …40000)Н*м при соединении валов диаметром от 6 до 250 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения от 100000 до 250 об/мин и ниже.
Жесткие компенсирующие муфты также осуществляют жесткое соединение валов, но при этом обеспечивают возможность их сопряжениия при определенном уровне осевых, радиальных, угловых и комбинированных смещений осей валов. Жесткие компенсирующие муфты отечественными стандартами регламентируются в диапазоне диаметров соединяемых валов от 8 до 200 мм и номинальных крутящих моментах от 11 до 12000 Н*м. Подобные муфты обладают высокой нагрузочной способностью, сравнительно малыми габаритами и могут применяться при частотах вращения, не превышающих 12000 об/мин.
Муфты упругие компенсирующие наряду с непосредственным соединением валов выполняют функции снижения динамических нагрузок, устранения опасности резонанса крутильных колебаний и компенсации несоосности валов. Компенсирующие возможности упругих муфт, также как и чисто компенсирующих, характеризуют комплексом смещений соединяемых валов (осевого, радиального и углового). Отечественные серийные муфты данного типа регламентируются для передачи крутящих моментов Т = (2.5 …40000)Н*м при соединении валов диаметром от 6 до 240 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения, не превышающих 5500 об/мин.
Для параметрической оценки возможности снижения динамических нагрузок и устранения опасности резонансных явлений вводят понятия жёсткость и демпфирующая способность.
Жесткостью называют способность технического объекта сопротивляться деформациям при нагружении, для количественной оценки которой используют зависимость между величиной нагрузки и деформацией. Применительно к муфтам, нагружаемым крутящим моментом Т, это зависимость угла относительного поворота полумуфт φ = f(T). Если на ободах ненагруженной муфты нанести совпадающие риски, то при её нагружении за счет деформаций риски полумуфт повернутся относительно друг друга на угол φ (рис. 1.3 а). Функцию φ = f(T) называют упругой характеристикой муфты, а параметр Cφ =dT/dφ крутильной жесткостью. Эта функция для муфт линейна при постоянной (Cφ =T/φ) и нелинейна при переменной жесткости (рис. 1.3 б), муфты нелинейной жесткости могут иметь жесткую (нижняя кривая) или мягкую (верхняя кривая) характеристики.
Рис. 1.3. К характеристике жестких упругих муфт:
а – угол относительного поворота полумуфт при нагружении;
б – упругие характеристики муфт постоянной и переменной жесткости
В нелинейных муфтах с жесткой характеристикой жесткость растет с увеличением угла закручивания (сравните жёсткость в точках 1 и 2 – Сφ1 и Сφ2). Такое свойство выгодно использовать в машинах, у которых нагрузка растет пропорционально квадрату скорости. Постоянную жесткость имеют муфты с использованием в силовой цепи материалов с упругими характеристиками, соответствующими закону Гука (металлических деформируемых элементов, к примеру). Переменная жесткость характерна для муфт, использующих неметаллические упругие элементы, физико-механические свойства которых не регламентируется законом Гука. Переменная жесткость также может иметь место и в муфтах с металлическими упругими элементами при помощи специальных конструктивных приемов (см. подраздел 1.3.1, 1.3.2.). Муфты постоянной жесткости лишь позволяют снизить уровень динамической нагрузки, в то время как при переменной жесткости появляется дополнительная возможность исключить явления резонанса и значительно снизить интенсивность колебательных процессов. Как известно, резонанс наступает при совпадении частот собственных колебаний системы fc и внешних возмущающих воздействий fвоз. В случае применения муфт переменной жесткости при приближении fc к границе резонанса наблюдается рост амплитуды колебаний, вызывающей изменения и собственной частоты. Например, для простейшей двухмассовой системы
.
Очевидно, что изменения Сφ и соответственно fc приводят к выводу упругой системы из обозначенной зоны. В этом выражении I1 и I2 – приведенные к ведущей и ведомой полумуфте моменты инерции.
Демпфирующая способность характеризует величину кинетической энергии удара, необратимо поглощаемой муфтой за счет ее преобразования в потенциальную и тепловую энергию. Подобные преобразования связаны с деформированием упругого элемента и внешним и внутренним трением, сопровождающим этот процесс. Известно, что поглощаемая энергия пропорциональна площади петли гистерезиса, образующейся между ветвями упругой характеристики при нагружении и разгрузке деформируемого элемента, как это показано на рис. 1.3 б применительно к муфте постоянной жесткости (заштрихованная площадка). Для количественной оценки демпфирующих свойств упругих элементов используют коэффициент демпфирования
,
где – площадь петли гистерезиса; а – полная площадь под упругой характеристикой муфты при ее нагружении (площадь треугольника ОАВ).
Расцепляемые самодействующие муфты применяются в машинах и механизмах, требующих разобщения мотора и исполнительного устройства при параметрах работы, которые не отвечают установленным границам. В качестве примера целесообразности применения расцепляемых самоуправляемых муфт могут служить разнообразные рассматриваемые устройства, которые автоматически разобщают силовую цепь машины при повышении нагрузки в ней в связи с непредусмотренным увеличением сопротивления на рабочем органе, аварийным заклиниванием элементов машин, механизмов и т.п. Отечественные серийные муфты данного типа регламентируются для передачи крутящих моментов Т = (4,0 …400)Н*м при диаметрах отверстий от 8 до 48 мм. Они могут работать в диапазоне частот вращения, не превышающих 3000 об/мин.
Расцепляемые самодействующие муфты в функциональном плане дополнительно классифицируют по типу связи в зависимости от вида управляющего параметра для соединения ведущего и ведомого элементов на предохранительные, обгонные и центробежные (рис. 1.2). Муфты предохранительные жестко соединяют (или разобщают) валы при значении крутящего момента, не превышающем (или превышающем) установленной предельно-допустимой нагрузки. В обгонных муфтах, или муфтах свободного хода, соединение валов происходит при передаче движения в одном направлении вращения ведомого вала с частотой, не превышающей частоты ведущего. Наконец центробежные муфты предназначены для соединения или разобщения валов при определённом уровне скорости ведущего звена.
Расцепляемые управляемые муфты применяются для соединения элементов машин и механизмов, в которых при их работе необходимы частые кратковременные разобщения энергоисточника и исполнительного органа без остановки двигателя на основе действий оператора или автоматического устройства, управляющих работой машины. К примеру, в случае необходимости останова сборочных конвейеров для проведения технологических операций сборки, при необходимости отключения отдельных исполнительных механизмов в случае привода от одного двигателя нескольких параллельно работающих устройств. Характерным примером расцепляемых управляемых муфт являются муфты сцепления в автомобилях. В качестве дополнительного функционального признака, классифицирующего тип связи и способ разобщения валов, в расцепляемых управляемых муфтах механического принципа действия принимают именно способы разобщения валов с применением механических, гидравлических и электромагнитных переключателей. В конструктивном плане рассматриваемые муфты устроены так же, как и расцепляемые самодействующие. При этом заметим, что в практике курсового проектирования по дисциплине «Детали машин и основы конструирования» подобные муфты используются сравнительно редко. В связи с указанными обстоятельствами и ограниченным объемом пособия отмеченные муфты в дальнейшем не рассматриваются.
Многие типовые муфты, как отмечалось выше, состоят из конструктивно одинаковых ведущей и ведомой полумуфт, которые могут отличаться исполнениями, то есть формой и размером посадочных отверстий и типом соединения «вал – ступица». Такие полумуфты в дальнейшем для краткости будем называть практически одинаковыми. При разработке конструкторской документации в подобных случаях составляют рабочие чертежи обеих полумуфт либо разрабатывается групповой чертеж.
Среди общих вопросов конструирования муфт выделим вопрос об осевой фиксации полумуфт. К типовым способам фиксации относят:
1. Упор полумуфт с одной стороны в бурт на концевом участке вала, а с другой – фиксация торцевой шайбой и винтом, вворачиваемым в торец вала (рис. 1.4 а). Винт в таких конструкциях снабжается шайбой, которая исключает его самоотвинчивание. Роль бурта может также выполнять распорная втулка, как это показано в нижней части рисунка 1.4 а. Фиксация торцовой шайбой особенно целесообразна при наличии осевых сил; в случае конического посадочного отверстия вместо винта используют концевик с резьбовым участком, на который наворачивается гайка.
2. Закрепление полумуфт с помощью штифтов, которые также служат для передачи крутящего момента (рис 1.4 б). В этом случае упрощается конструкция вала в связи с ненадобностью бурта.
3. Закрепление полумуфт с помощью фиксирующих винтов, вворачиваемых радиально в ступицы полумуфт (рис. 1.4 в). С целью исключения самоотворачивания винтов используют пружинные кольца, которые укладываются в специальные канавки полумуфт и шлиц винта.
Рис. 1.4. Способы осевой фиксации муфт:
а – торцевой шайбой; б – штифтом; в – фиксирующим винтом
Отмеченные способы осевой фиксации ведущей и ведомой полумуфт могут также применяться в комбинированном виде. Более подробно об осевой фиксации деталей на валах, в том числе полумуфт, см. [2, с. 224…225].
В соответствии с классификационной схемой (см. рис. 1.2) к муфтам жестким нерасцепляемым относят втулочные, фланцевые (поперечно-разъемные) и продольно-свертные.
Втулочные муфты (рис. 1.5) относятся к наиболее простым по конструкции и изготовлению типам. Они имеют минимальные значения габаритных размеров, массы и момента инерции, а также минимальны по стоимости изготовления. К недостаткам втулочных муфт следует отнести невозможность разобщения соединяемых валов без демонтажа соединяемых узлов и низкую изгибную жесткость. Целесообразно использовать в узлах с повышенными требованиями к ограничению радиальных габаритов, массы, момента инерции и при возможности обеспечения незначительных смещений осей валов в пределах допустимой соосности. Муфты данного типа могут применяться при окружных скоростях на наружном диаметре до 75 м/с при частотах вращения (100000…10000) об/мин в соответствии с диаметром валов от 10 до 100 мм. Серийные отечественные втулочные муфты (ГОСТ 24246 – 96) выпускаются для диаметров валов в диапазоне (6 – 105) мм, номинальных крутящих моментов (1,0 – 12500) Н*м и удельной массой (0,01 – 0,003) кг/Н*м (табл. 1.1). Используются только для соединения цилиндрических концевиков валов и имеют четыре конструктивных типа в зависимости от вида соединения «вал – ступица»: 1 – со штифтами; 2 – с призматической шпонкой; 3 – с сегментной шпонкой; 4 – со шлицами (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Конструкция муфты втулочной и ее типы:
а – тип 1 со штифтом по ГОСТ3129; б – тип 2 со шпоночным пазом по ГОСТ 10748 или 23360 под призматическую шпонку; в – тип 3 со шпоночным пазом по ГОСТ 24071 под сегментную шпонку; г – тип 4 со шлицевым посадочным отверстием по ГОСТ 1139
Таблица 1.1. Основные параметры отечественных серийных жестких неподвижных и жестких компенсирующих муфт
|
Конструктивный тип муфт |
Диапазоны |
Допустимые смещения осей валов |
Максимально допустимая частота вращения [n]**, мин-1 |
||||
|
диаметров соединяемых валов d, мм |
номинальных крутящих моментов , |
удельной массы , |
Осевые , мм |
Радиальные , мм |
Угловые , град |
||
|
Муфты нерасцепляемые жесткие неподвижные |
|||||||
|
Втулочные (ГОСТ 24246-96) |
6-105 |
1,0-12500 |
0,08-0,003 |
±0,5 |
- |
- |
10000 (1670-170) |
|
Фланцевые (ГОСТ 20761-96) |
11-250 |
16-40000 (8-20000)*** |
0,051-0,013 |
- |
- |
- |
42000-2800 (21000-1400)*** |
|
Продольно-свертные (ГОСТ 23106-78*) |
25-130 |
125-12500 |
0,019-0,005 |
- |
0,05 |
- |
До 250 (42) |
|
Муфты нерасцепляемые жёсткие компенсирующие |
|||||||
|
Зубчатые (ГОСТ 5006-96) |
40-200 |
1000-63000 |
0,007-0,004 |
±1,0 |
1-3,5 |
30´-1º |
5400-1200 (90-20) |
|
Цепные (ГОСТ 20742-93) |
20-180 |
63-16000 |
0,03-0,07 |
- |
0,16-0,8 |
1º |
1500-660 (25-11) |
|
Кулачково-дисковые (ГОСТ 20720-93) |
16-150 |
16-16000 |
0,09-0,009 |
0,5 |
0,6-3,6 |
1º |
240-100 (4-1,7) |
|
Дисковые полужесткие (ГОСТ 26455-97) |
11-130 |
40-6300 |
0,013-0,008 |
0,5-2,5 |
- |
45´-1º |
12000-3700 (200-62) |
|
Шарнирные (ГОСТ 5147-97) |
8-42 |
11,2-1120 |
0,005-0,004 |
- |
- |
45º |
До 1000 (17) |
Примечания:
1. – изменение удельной массы приведено в указанном диапазоне варьирования преимущественно на короткие концевики валов.
2. [n]** – диапазон применения максимально допустимой частоты вращения соответствует указанным границам варьирования .
3. *** – значение номинального момента и допустимой частоты вращения [n] указаны для группы полумуфт.
Муфты второго типа имеют два исполнения: для концевиков длинных (первого исполнения) и коротких (второго исполнения) валов по ГОСТ 12080. Принцип работы муфты очевиден из рисунка. Передача движения осуществляется сопротивлением соединений «вал – ступица» деформациям сдвига и смятия, тело муфты при этом скручивается. Осевая фиксация тела муфты на валу в первом типе осуществляется непосредственно штифтом, а в остальных – с помощью радиального винта, который удерживается от самоотвинчивания пружинным кольцом для стопорения винтов, укладываемым в специальную канавку тела муфты (рис. 1.5 б, в, г).
Фланцевые муфты (рис. 1.6) являются одними из наиболее распространенных жёстких нерасцепляемых муфт. Они удобны в монтаже и обеспечивают жёсткие соединения валов. Отечественные стандартные фланцевые муфты (ГОСТ 20761 – 96) состоят из конструктивно одинаковых ведущей 1 и ведомой 2 полумуфт, фланцы которых соединяются болтами 7 и 8 с соответствующими гайками и шайбами. Крутящий момент с валов на полумуфты передается с помощью призматических шпонок. Осевая фиксация полумуфт на валах в стандарте не регламентирована. Одна из полумуфт зафиксирована винтом 3 с пружинным кольцом 6. По форме концевиков валов, на которые насаживаются полумуфты, стандартом выделены исполнения муфт I и II соответственно с цилиндрическими отверстиями под длинные и короткие концевики валов. Серийные муфты выпускаются для валов диаметром (11…250) мм при номинальных крутящих моментах (16…40000) Н*м с удельной массой (0,05…0,01)кг/Н*м. Максимальная окружная скорость на наружном диаметре стальных полумуфт не должна превышать 70 м/с или частот вращения (42000…2800) об/мин. Основные параметры фланцевых серийных муфт приведены в таблице 1.1.
Конструктивно предусматривают фланцевые муфты открытые и закрытые. В закрытых муфтах фланцы снабжаются ободами, закрывающими головки болтов и гайки, которые обеспечивают безопасную эксплуатацию без защитного кожуха. Соосность полумуфт обеспечивается:
а) центрирующими точно изготовленными винтами 8, устанавливаемыми без зазора в отверстия совместно обработанных полумуфт в отличие от болтов 7, которые поставлены с зазором (рис. 6 а, б). Подобное центрирование предусмотрено указанным стандартом;
б) центрированием с помощью цилиндрического пояска в одной из полумуфт и выточкой на другой (рис. 6 в – слева);
в) центрированием полукольцами (рис. 6 в – справа). В отличие от варианта «б» при монтаже и демонтаже не требуется осевого смещения соединяемых валов, но точность центрирования осей валов при этом снижается.
Муфты продольно-свертные (рис. 1.7) применяются для соединения тихоходных соосных валов с частотой вращения, не превышающей 250 об/мин. Монтажные и демонтажные операции элементов привода не требуют их осевого перемещения. Сложность балансировки и изготовления двух полумуфт с осевым разъемом, а также повышенные требования к соосности валов ограничивают применение продольно-свертных муфт. Отечественные серийные муфты (ГОСТ 23106 – 78*) выпускаются для соединения цилиндрических концевиков валов диаметром (25 … 430) мм при номинальных крутящих моментах (125…12500) Н*м с удельной массой (0,019…0,005) кг/Н*м.
Рис. 1.6. Конструкция муфты фланцевой: а,б – с центрированием осей валов болтами, поставленными без зазора; в – с центрированием пояском на одной из полумуфт(слева) и центрированием полукольцами(справа)
Рис. 1.7. Конструкция муфты продольно-свертной
Данным стандартом предусмотрены исполнения с полувтулками 5, показанными на рис. 1.7, и без них. Конструкция муфты состоит из двух симметричных полумуфт 1, стягиваемых с помощью болтов 2 и гаек 4 с шайбами 3; двух полувтулок 5, закладываемых в специальную выточку в полумуфтах, и двух полукожухов 6, закрепляемых винтами 7. Бурты полувтулок при сборке входят в соответствующие пазы на концевиках соединяемых валов и обеспечивают осевую фиксацию полумуфт на валах. Передача нагрузки в муфте осуществляется за счет момента трения, образуемого трением от силы затяжки болтов с соответствующими гайками. С целью обеспечения прижатия полумуфт к валам последние разделены зазорами. Шпонка, которая может быть предусмотрена, закладывается между полумуфтами в один из зазоров и в расчете, как правило, не учитывается.
Основная функция муфт – соединение валов с целью передачи крутящего момента, в компенсирующих муфтах дополнена возможностью качественного соединения валов, которые имеют осевые, радиальные, угловые и комбинированные смещение их осей (см. рис. 1.1). Муфты рассматриваемого типа являются одними из наиболее распространенных. В этом функциональном классе муфт в зависимости от конструктивных признаков выделяют муфты: зубчатые, цепные, кулачково-дисковые, дисковые и шарнирные
(см. рис. 1.2).
Муфты зубчатые (рис. 1.8) обладают наибольшей нагрузочной способностью и надежностью среди муфт жестких компенсирующих; они обеспечивают устойчивую работу при окружных скоростях в зацеплении до 25 м/с и частотах вращения (5400…1200) об/мин. Отечественные серийные муфты (ГОСТ 5006 – 96) выпускаются в диапазонах номинальных крутящих моментов (1000…63000) Н*м и диаметров посадочных отверстий (40…200) мм с удельной массой в указанном диапазоне (0,007 – 0,04) Н*м; они обладают высокими компенсирующими свойствами по всем видам несоосности. Значения допустимых радиальных и угловых смещений являются взаимозависимыми. В табл. 1.1, содержащей технические характеристики серийных отечественных зубчатых муфт, приведены средние величины Δr и Δα. Более подробно см. [1, с. 20] и приложение В (ГОСТ 5006 – 96). Указанным стандартом предусмотрены три типа муфт: с разъемной обоймой, с промежуточным валом и неразъемной обоймой. Кроме того, полумуфты подразделяются по двум исполнениям: с цилиндрическими (исполнение 1) и коническими (исполнение 2) отверстиями для коротких концевиков валов. Исполнение 1 предусмотрено для всех трех типов, а исполнение 2 – только в первом и третьем типах.
Простейшая зубчатая муфта (рис. 1.8) состоит из практически взаимозаменяемых ведущей 1 и ведомой 4 полумуфт с внешними зубьями, двух практически одинаковых зубчатых обойм 2 и 3 с внутренними зубьями, которые скрепляются друг с другом болтовым соединением 7. К зубчатым обоймам крепятся винтами 9 крышки 8 со встроенными в них манжетными уплотнениями 10. В одной из зубчатых обойм выполняется отверстие, закрываемое резьбовой пробкой, которое служит для заливки смазки в полость муфты. Зубчатые муфты имеют значительное количество конструктивных разновидностей. К примеру, указанный стандарт, кроме описанного типа, содержит также муфты с неразъемной зубчатой обоймой и с промежуточным валом.
Рис. 1.8. Конструкция муфты зубчатой
Описываемая муфта часто встречается в различных механизмах, в которых наружные зубья формируются непосредственно на валах, а зубчатая обойма с внутренними зубьями закрепляется на приводимый в движение элемент механизма. Принцип работы муфты очевиден из рис. 1.8. Передача момента между ведущей и ведомой полумуфтами и зубчатыми обоймами происходит за счет зацепления зубьев, а между обоймами – с помощью болтового соединения. Компенсирующие возможности обеспечиваются радиальными и осевыми зазорами зубчатого зацепления. Для повышения уровня компенсации углового перекоса зубьям придают бочкообразную форму.
Муфты цепные (рис. 1.9) менее требовательны по сравнению с зубчатыми к точности изготовления, что естественно сказывается на их быстроходности. Такие муфты применяются при частотах вращения (1500…660) об/мин в указанном ниже диапазоне диаметров соединяемых валов. Они обеспечивают монтаж соединяемых элементов машин без их осевых смещений, допускают значительные комбинированные смещения осей валов за счет зазоров между зубьями звездочек, зазоров в шарнирах цепи (в среднем допустимые радиальные зазоры не превышают 0,7 мм, а угловые – 1 градуса). Вместе с тем повышенные зазоры ограничивают использование муфт в реверсивных приводах и приводах с динамическими нагрузками.
Серийно цепные муфты (ГОСТ 20742 – 93) производят для соединения валов диаметром (20…180) мм и передачи моментов (63 … 16000) Н*м, удельная масса в этом диапазоне составляет (0,03…0,07) Н*м. Стандартом предусмотрены два типа цепных муфт: с однорядной и двухрядной цепями (см. рис. 1 а, в). Каждый из типов может изготовляться с полумуфтами четырех исполнений. Исполнения 1 и 2 предназначены для коротких концевиков валов цилиндрической и конической форм соответственно и шпоночных соединений. Исполнения 3 и 4 имеют цилиндрические отверстия с прямобочными шлицами средней серии (исполнение 3) и эвольвентными шлицами (исполнение 4). Применение двухрядной цепи обеспечивает повышенные компенсирующие возможности. Принцип действия муфт основан на передаче нагрузки с зуба ведущей звездочки на цепь и далее на зуб ведомой. Компенсирование несоосности валов при этом обеспечивается за счет радиальных, боковых и осевых зазоров между зубьями и элементами цепи, а также зазоров в самой цепи. Технические характеристики стандартных цепных муфт приведены в таблице 1.1.
Конструкция муфты, представленной на рисунке, состоит из двух практически одинаковых полумуфт 1 и 7, насаживаемых на ведущий и ведомый валы, которые соединяются при помощи замкнутой петли однорядной (рис. 1.9 а, б) или двухрядной (рис. 1.9 в) цепи 5. Объединенный силовой блок муфты закрывается разъемным кожухом, состоящим из двух практически одинаковых частей 11 и соединяемых с помощью крепежа, который включает болт 3 с гайкой 9 и шайбой 10. В одной из частей кожуха делается резьбовое отверстие для подачи смазки в полость кожуха, закрывающееся специальной пробкой 4. Для исключения вытекания смазки и предотвращения попадания абразивной пыли в узел трения в кожухе имеются пазы, в них устанавливаются уплотнительные кольца 8. С целью исключения проворачивания кожуха относительно полумуфт в одну из них вворачивается фиксирующий винт 6, который при сборке заводится в специальное углубление одного из полукожухов. Указанным стандартом предусматривается применение муфт без кожуха при номинальном крутящем моменте не более 1000 Н*м и частоте вращения не превышающей 600 об/мин.
Рис. 1.9. Конструкция муфты цепной: а, б – типа 1 с однорядной цепью;
в – типа 2 с 2-рядной цепью
Муфты кулачково-дисковые (рис. 1.10) являются наиболее простыми в изготовлении из группы жестких компенсирующих. Они могут передавать высокие нагрузки при значительных радиальных и угловых смещениях осей валов: радиальных Δr <0,05dm (dm – диаметр отверстия под вал) и угловых Δα – до 1°. Повышенное трение в муфте и интенсивный износ обусловливает ограничение максимальной скорости вращения до (240 … 100) об/мин. Быстрый износ трущихся поверхностей приводит к увеличению зазоров и ограничению использования подобных муфт в реверсивных приводах. Стандартом (ГОСТ 20720 – 93) предусматривается использование муфт для крутящих моментов (16…16000) Н*м и диаметрах соединяемых валов (16…150) мм. Удельная масса кулачково-дисковых муфт составляет (0,012…0,09) кг/Н*м. Стандартные полумуфты имеют четыре исполнения: с цилиндрическими отверстиями для длинных (исп.1) и коротких (исп.2) концевиков и с коническими отверстиями для длинных (исп.3) и коротких (исп.4)концевиков. Технические характеристики стандартных кулачково-дисковых муфт приведены в таблице 1.1.
Силовыми элементами муфты (рис. 1.10) являются одинаковые по конструкции полумуфты 13, имеющие радиальные пазы на торцевых поверхностях, и промежуточный диск 11 с взаимно перпендикулярными кулачками на противоположных его торцах. При сборке кулачки вводятся в пазы обеих полумуфт и за счет зацепления кулачков с поверхностями пазов передают крутящий момент. Наличие смещения осей валов при вращении полумуфт приводит к относительному перемещению рабочих поверхностей. Для снижения трения и износа трущихся поверхностей к последним подают смазку и защищают их от попадания абразивной пыли. Этой цели служит защитный кожух, выполняемый практически из одинаковых полукожухов 6 и 12, скрепляемых между собой винтами 7 с шайбами 8. Полукожухи фиксированы от осевых смещений винтами 3 с шайбами 4 на одной из полумуфт. Для герметичности полости с силовыми элементами в кожух устанавливается манжетное уплотнение 10, закрепляемое кольцом 9, и паранитовые прокладки по разъему полукожухов. Смазка в полукожухе подается через отверстие, закрываемое пробкой 5. От осевых смещений полумуфты удерживаются винтами 2 с пружинными кольцами 1. Недостаток данного типа муфт – непостоянство угловой скорости ведомого элемента в пределах одного его оборота.
Дисковые полужесткие муфты (рис. 1.11) просты в конструктивном исполнении, обладают высокой нагрузочной способностью, надежностью и быстроходностью, не требуют ухода в эксплуатации. Они могут компенсировать незначительные осевые до 0,5 мм и угловые до (0,5 … 1)° смещения осей валов, но не допускают смещений радиальных. Для отечественных серийных муфт (ГОСТ 26455 – 97) диапазон передаваемых моментов составляет (40…6300) Н*м с диаметром валов (11…130) мм; удельная масса при этом изменяется в пределах от 0,013 до 0,008 кг/Н*м.
Рис. 1.10. Конструкция муфты кулачково-дисковой
Указанным стандартом на этот тип муфт предусмотрен выпуск муфт трех типов: одинарных (тип 1), показанных на рис. 1.11, сдвоенных с промежуточной втулкой (тип 2) и с промежуточным валом (тип 3). Муфты второго и третьего типа допускают удвоенное угловое и осевое смещения, а также радиальное смещение Δr = L0*sinΔα. В этой формуле L0 – расстояние между пакетами дисков, а Δα – допускаемое угловое смещение. Одинарная муфта состоит из практически одинаковых полумуфт 1 и 7, которые для крутящих моментов до 100 Н*м выполняются двухлепестковыми, а для больших значений – трехлепестковыми. Соединение полумуфт осуществляется пакетами дисков 3 и болтами 2. Пакеты составляются из нескольких (на рисунке из 9) отдельных дисков, толщиной 0,3 – 0,5 мм и отделяются друг от друга насадками 8, конструкция которых очевидна из рис. 1.11. Болты попеременно вставляются в полумуфты и диски и закрепляются гайками 6 с шайбами 5 и 4. Количество дисков в пакете, их толщина определяются величиной передаваемого момента. С целью обеспечения сборки пакеты дисков обрабатываются в комплекте за одну установку. Осевое смещение валов обеспечивается возможностью перемещения полумуфт по посадочным концевикам валов, а угловое – осевым деформированием пакетов дисков в пределах зазоров между ними.
Шарнирные муфты (рис. 1.12) применяются при необходимости значительного (до 40-45)° углового смещения осей валов. При этом они могут использоваться в случае изменения угла смещения в процессе эксплуатации, например в карданных валах автомобилей. Стандартом (ГОСТ 5147 – 97) предусматривается производство муфт для номинальных моментов (12,5 … 30000) Н*м диаметром отверстий полумуфт (8 … 45) мм; при этом удельная масса mуд =(0,005 … 0,004) кг/Н*м. Серийные муфты рекомендуют использовать при частотах вращения до 1000 об/мин. Этим стандартом предусмотрены два типа муфт: одинарные (тип 1) и сдвоенные с промежуточной вилкой (тип 2), каждый из которых имеет исполнения на длинные (исполнение 1) и короткие (исполнение 2) концевики.
Простейшая сдвоенная шарнирная муфта (рис. 1.12 а, б) состоит из взаимозаменяемых ведущей 1 и ведомой 7 полумуфт и промежуточной спаренной вилки 6. Оси вилок полумуфт и спаренной вилки устанавливаются относительно друг друга под углом 90° и соединяются между собой крестовинами, состоящими из сухарей 3, пальца 5, втулок 4 и штифта 2. При соединении вилок полумуфт с крестовиной сначала сухарь вставляется в одну из них и закрепляется штифтом 2 со сквозным (в среднем по его длине) отверстием. Затем на сухарь заводится вилка второй полумуфты (промежуточные вилки во втором типе) и через отверстие в вилке, сухаре и шифте заводится палец 5. На палец с двух сторон вилки надеваются втулки 4, после чего развальцовывается отверстие на обоих торцах пальца. Развальцовывание пальца делает муфту неразборной. У одинарной муфты (рис. 1.12 в) из конструкции удалена спаренная вилка. Соединение полумуфт с валами осуществляется с помощью штифтов.
Рис. 1.12. Конструкция муфты шарнирной: а, б – сдвоенной; в – одинарной
1.3.1.3. Муфты нерасцепляемые упругие компенсирующие
1.3.1.3.1. Муфты упругие компенсирующие с неметаллическими элементами
Муфты с резиновой звездочкой (рис. 1.13) наиболее просты по конструкции, обладают сравнительно большой нагрузочной способностью и соответственно имеют меньшие размеры и материалоёмкость по сравнению с другими муфтами рассматриваемого типа, но при монтажных работах требуют осевого перемещения соединяемых валов на величину толщины звездочки и обладают повышенной радиальной и угловой крутильной и изгибной жёсткостью. Допустимое смещение осей соединяемых валов в радиальном направлении не превышает 0,4 мм, а в угловом – 1°30'. Диапазон изменения основных параметров стандартных муфт (ГОСТ 14084 – 93) приведен в таблице 1.2. Указанным нормативом предусмотрены муфты для передачи номинальных крутящих моментов от 2,5 до 400 Н*м с диаметром посадочных отверстий от 6 до 48 мм, имеющих удельную массу (0,07…0,03)кг/Н*м. Стандартные муфты производятся только с цилиндрическими отверстиями и предусматривают исполнение 1 для длинных и исполнение 2 для коротких концевиков валов.
Муфта с резиновой звёздочкой состоит из практически одинаковых ведущей 3 и ведомой 5 (или наоборот) полумуфт с торцевыми кулачками, между лучами которых устанавливается резиновая звёздочка 4. Для номинальных крутящих моментов до 6,3 Нм звёздочки выполняются с четырьмя лучами (лепестками) (рис. 1.13 в), а в более нагруженных муфтах количество лучей увеличивают до 6. В серийных муфтах лучи звёздочек работают на сжатие через один. При изменении направления вращения рабочие лучи становятся недеформируемыми. По длине концевиков валов стандартом предусмотрено два исполнения: исполнение 1 для длинных и 2 – для коротких концевиков в соответствии с ГОСТ 12080-83. Стандартом не регламентирована осевая фиксация полумуфт на валах. На рис. 1.13 для этой цели использованы стопорные винты 1 с пружинными кольцами 2.
Основные направления совершенствования муфт данного типа связаны с профилированием кулачков и звездочек, обеспечивающим их линейный или точечный контакт, снижение контактной жесткости и повышение компенсирующих свойств. В муфтах с профилированными кулачками и звездочками, к примеру, допустимые радиальные смещения возрастают до 1…2 мм при углах перекоса осей валов 2…3 градуса. Среди таких разработок можно выделить муфты французской «Пуль» и итальянской «Сага» фирм [1, с. 113-119]. Основные параметры этих муфт также включены в табл. 1.2.
Муфты упругие с промежуточным диском (рис. 1.14) по сравнению с предыдущим типом обладают меньшей нагрузочной способностью и соответственно имеют большие габариты и большую материалоёмкость.
При монтажных и демонтажных операциях и замене упругого диска не требуется осевого смещения соединяемых валов. Такие муфты обладают высокой податливостью, это позволяет компенсировать значительные смещения валов, особенно угловых. Из-за невысокой нагрузочной способности их целесообразно применять в соединениях быстроходных валов. Серийно данные муфты выпускаются для валов диаметром (6…38) мм с номинальным моментом (4…200) Н*м и имеют удельную массу (0,1…0,03) кг/Н*м (табл. 1.2). В пределах указанных параметров эти муфты используются при частотах вращения соответственно (6000…3000) об/мин.
Муфты с промежуточным упругим диском (рис. 1.14) состоят из одинаковых (обычно трёхлепестковых) ведущей 3 и ведомой 4 полумуфт, промежуточного резинового (резинокордного) упругого элемента 5 и пальцев 1, закрепляемых попеременно в полумуфтах с помощью гаек с пружинными шайбами [1, рис. 3.39]. На рис. 1.14 использовано резьбовое закрепление пальца, выполненного в виде болта. Для осевой фиксации полумуфт применены стопорные винты 2 с пружинными кольцами 6. Отечественным стандартом (ГОСТ 25021 – 93) предусматриваются четыре исполнения муфт: первые два имеют цилиндрические отверстия на длинные и короткие концевики валов, третье и четвертое – конические соответственно на длинные и короткие концевики.
Простота конструкции и монтажных операций, высокие компенсирующие возможности обусловили широкий набор разнообразных конструкций рассматриваемых муфт в мировой инженерной практике. Здесь можно назвать муфты французской фирмы «Польстра» с диском «Строфлекс», немецкой фирмы «Монинхофф» и другие, технические характеристики которых также приведены в табл. 1.2. В связи с широким использованием элементов этих муфт в курсовом проектировании их конструкции включены в Приложение (соответственно рис. П.1 и П.2). Отличительной особенностью муфт с диском фирмы «Строфлекс» (рис.П1.3) является шестигранная форма упругого элемента, зоны отверстий в котором армированы высокопрочным кордом, а в отверстия завулканизированы втулки, повышающие нагрузочную способность диска. Аналогична по конструкции муфта фирмы «Монинхофф» (рис.П1.2). В отличие от предыдущей конструкции её полумуфты изготавливают из треугольного профиля с частично срезанными углами, в которых располагаются отверстия и силовые пальцы в виде болтов. Армирование диска и применение завулканизированных втулок обеспечивает расширение диапазона номинального передаваемого момента до 6000 Н*м в муфтах с диском «Строфлекс» и до 2700 Н*м в муфтах фирмы «Монинхофф» против 200 Н*м в стандартных отечественных муфтах (подробнее см. [1, с. 119… 123].
Муфты с торообразной оболочкой (рис. 1.15 – 1.16) обладают повышенной податливостью, что обусловливает существенное улучшение динамических характеристик (снижение ударных нагрузок, повышение демпфирующей способности). Высокая податливость упругого элемента также обеспечивает повышенные возможности в компенсации всех видов смещения валов. Среди недостатков муфты выделяют малую нагрузочную способность, большие радиальные габариты и повышенную материалоёмкость. Кроме того, смещение осей валов и центробежные силы, действующие на оболочку, приводят к значительным радиальным и осевым нагрузкам валов и опор.
Таблица 1.2. Основные параметры серийных упругих компенсирующих муфт
|
Конструктивный тип муфт |
Диапазоны |
Допустимые смещения осей валов |
Максимально допустимая частота вращения [n]**, мин-1 |
||||
|
диаметров соединяемых валов |
номинальных крутящих моментов, Тн, Нм |
удельной массы mуд*, кг/Нм |
Осевые, мм |
Радиальные, мм |
Угловые, град |
||
|
С упругой звездочкой по ГОСТ 14084 – 93 фирма «Пуль» фирма «Сага» |
6-48 14-53 14-55 |
2,5-400 1,8-143 9-720 |
0,07-0,03 0,07-0,05 0,12-0,04 |
- - - |
0,1-0,4 - 1-2 |
1°30'-1° - 2°-3° |
5520-1500 8000-4000 10000-3300 |
|
С промежуточным упругим диском по ГОСТ 25021-93 фирма «Строфлекс» фирма «Монинхофф» фирма «Вулкан» |
8-38 30-145 14-100 8-150 |
4-200 75-6000 100-2250 12-2400 |
0,1-0,03 - 0,024-0,02 0,04-0,02 |
- 1-3 - 4-14 |
0,4-1,5 0,1-1 - 4-14 |
1°-0,75° 1°-5° 8°-6° 2°-5° |
6000-3000 6000-2000 7000-2700 - |
|
С упругой торообразной оболочкой по ГОСТ 50892-96 выпуклой вогнутой фирма «Перифлекс» (выпуклая область) фирма «Фальк» (вогнутая область) |
14-240 14-180 10-300 35-200 |
20-40000 25-16000 5-35000 57-14320 |
0,07-0,02 0,08-0,02 0,16-0,05 0,06-0,02 |
1-11 1,6-9 3-6 - |
1-5 0,5-6 2-6 1-3,5 |
1°-1°30' 2°-6° 2°-6° 2°-4° |
3000-720 5600-1120 4000-375 4500-1080 |
Примечания:
1. – изменение удельной массы приведено в указанном диапазоне варьирования преимущественно на короткие концевики валов.
2. [n]** – диапазон применения максимально допустимой частоты вращения соответствует указанным границам варьирования .
3. *** – значение номинального момента и допустимой частоты вращения [n] указаны для группы полумуфт.
Рис. 1.13. Конструкция муфты с упругой звездочкой:
а,б – шестилепестковой; в –четырехлепестковой
Рис 1.14. Конструкция муфты с упругим промежуточным диском
Стандартные муфты с торообразной оболочкой (ГОСТ 20884-96) выпускаются двух типов: с выпуклой (рис. 1.15) и вогнутой (рис. 1.16) оболочками. В обоих типах практически одинаковые ведущая 1 и ведомая 3 полумуфты соединены упругими резиновыми или резинокордными оболочками 2. Армирование оболочки кордом до (6…7) раз увеличивает срок их службы. В обсуждаемых муфтах с выпуклой оболочкой последняя выполняется цельной, а для возможности введения крепежных дисков внутрь оболочки их выполняют в виде двух полудисков 8, соединяемых диском 9 и винтами 10. Полученный таким образом единый диск (на рис. 1.15 в собранном виде он показан у полумуфты справа), собираемый внутри упругой оболочки, прижимает оболочку винтами 6 к фланцам полумуфт и обеспечивает создание трения для передачи нагрузки с ведущей полумуфты на оболочку и далее на ведомую полумуфту. Стандартные муфты с оболочкой выпуклого профиля выпускаются промышленностью для передачи номинальных моментов с 20 до 40000 Н*м и соединения валов диаметром от 14 до 240 мм с удельной массой (0,07…0,02)кг/Н*м. Допустимые частоты вращения в указанном диапазоне диаметров посадочных отверстий полумуфт составляют (3000…720) об/мин.
Муфты с оболочкой вогнутого профиля (рис. 1.16) состоят также из практически взаимозаменяемых полумуфт 6 и упругой оболочки 5. Для соединения оболочки с полумуфтами используются прижимные кольца 4 с винтами 1 и шайбами 2. Кольца имеют Г-образное сечение, обеспечивающее их повышенную изгибную жёсткость и центрирование по наружному пояску полумуфт. По причине меньшего влияния местных напряжений в зоне зажима борта вогнутых оболочек в отличие от выпуклых их разрушение начинается в области сечений с минимальным диаметром оболочки. Высокая податливость упругой оболочки обеспечивает возможность деформации её борта при сборке и введения в отверстие оболочки неразъёмного прижимного кольца 4.
Муфты с вогнутой оболочкой по сравнению с первым типом благодаря упрощению прижимного устройства имеют меньшую стоимость. Вогнутая оболочка также не требует осевого смещения соединяемых агрегатов при её замене. Уменьшение внешнего радиуса оболочки приводит к снижению центробежных сил и осевых нагрузок на валы и опоры и обеспечивает увеличение на (20-60)% предельной частоты вращения. Однако в подобных муфтах уменьшение размеров слабого элемента приводит к большему ограничению передаваемого крутящего момента. Стандартные муфты с оболочкой вогнутого профиля применяются при номинальных моментах от 25 до 16000 Н*м; диаметрах соединяемых валов от 14 до 180 мм и имеют в этом диапазоне удельную массу (0,08…0,017) кг/Н*м. Муфты рассматриваемой конструктивной разновидности успешно работают при частотах вращения (5520…1100)об/мин. Муфты с вогнутой оболочкой также выпускаются фирмой «Фальк» (США), типоразмерный ряд которых рассчитан на передачу моментов до 14300 Н*м. Конструктивным отличием муфт этой фирмы является упрощенная форма оболочек, которая не имеет утолщения в зоне борта [1 , с. 151 – 153].
Рис. 1.15. Конструкция муфты с торообразной выпуклой оболочкой
Рис. 1.16. Конструкция муфты с торообразной вогнутой оболочкой
Привлекательность муфт с упругими оболочками по динамическим и компенсирующим качествам обусловила широкое разнообразие их конструктивных разновидностей. На рис. П.3 представлена конструкция обсуждаемого узла фирмы «Перифлекс» с разрезной выпуклой оболочкой. Разрезная оболочка упрощает конструкцию муфты и ее сборку за счет исключения разрезных нажимных дисков и деталей для его сборки. Однако разрез оболочки снижает нагрузочную способность муфты и ограничивает угловую скорость, при которых подобные оболочки целесообразно использовать. Обычно их применяют при частотах вращения, не превышающих 1500 об/мин, окружных скоростях на внешнем диаметре оболочки не более 30 м/с. Фирма производит муфты для номинальных моментов в диапазоне (5…35000) Н*м и диаметров соединяемых валов (10…300) мм с удельной массой (0,16…0,046) кг/Н*м. Технические данные по этой муфте включены в табл. 1.2 (подробнее см. [1, с.146– 149]).
На рис. 1.17 показана ещё одна конструкция оболочковой муфты немецкой фирмы «Вулкан», отличительной особенностью которой является составная упругая оболочка, выполненная из двух симметричных упругих элементов 3 и 6. Сдвоенная форма оболочки позволили выполнить каждый из её элементов с переменной увеличивающейся в направлении к оси вращения толщиной и в значительной мере равнопрочной по всему объёму. Фирма выпускает рассматриваемую конструкцию двух типов. В первой из них предусматривается устройство для ограничения угла относительного поворота полумуфт при значительных перегрузках, что исключает потерю оболочкой крутильной устойчивости и ее разрушение. Во втором конструктивном типе подобное устройство не предусмотрено. Фирма «Вулкан» производит муфты для передачи номинальных моментов (500…1300000), а максимальных кратковременно действующих – (1500…3900000) Н*м. Диапазон диаметров соединяемых валов составляет (20…330) мм, а допустимые частоты вращения в этом диапазоне (5870…830) об/мин.
Конструкцию первого типа иллюстрирует рис. 1.17. Передача движения от ведущей (ведомой) 1 к ведомой (ведущей) 10 полумуфтам осуществляется посредством упругих полуоболочек 3 и 6. В борта полуоболочек завулканизированы металлические кольца, обеспечивающие прочное соединение их с полумуфтой 1 и диском 2 полумуфты 10. В передаче момента с полумуфты 1 к полуоболочкам участвуют прижимное кольцо 8, которое при помощи болтов 11 и гаек 12 зажимает борта составной оболочки между ним и фланцем полумуфты. Сила затяжки болтов обеспечивает создание моментов трения на поверхностях стыка полумуфты и прижимного кольца с оболочками. Упругие полуоболочки болтами 11 и нажимным кольцом 3, имеющим резьбовые отверстия, прижимаются к борту диска 9, создавая для передачи нагрузки T необходимый момент трения. С целью освобождения болтов от изгиба при повороте прижимного кольца 8 относительно полумуфты 1 оно дополнительно фиксируется штифтами. Диск 9 соединяется с полумуфтой 10 при помощи винтов 17. Важно дополнительно отметить, что завулканизированные в упругие полуоболочки металлические кольца и конструкция диска 2 ограничивают расширение их в радиальном направлении и практически освобождают вал от осевых нагрузок.
Рис. 1.17. Конструкция муфты упругой фирмы “Вулкан”
Муфта с аксиально-расположенными цилиндрическими резиновыми вкладышами фирмы «Уникум» показана на рис. 1.18. Её полумуфты 1 и 3 снабжены гнездами, в которые вставляются упругие элементы в форме цилиндров 2. Профиль гнезд в полумуфтах обеспечивает поворот полумуфт относительно друг друга на угол до (10 – 45)°. При относительном повороте полумуфт упругие элементы расклиниваются и подвергаются деформациям смятия и сдвига. Для исключения выпадения упругих элементов из гнезд на одну их полумуфт по резьбе наворачивается диск 4, который фиксируется от самоотворачивания установочным винтом 5. Фирма производит муфты с номинальным моментом от 5 до 800 Н*м и диаметром посадочных отверстий от 10 до 70 мм. Удельная масса рассматриваемых муфт в указанном диапазоне параметров изменяется от 0,08 до 0,024 кг/Н*м.
Муфты упругие втулочно-пальцевые (МУВП) (рис. 1.19) состоят из полумуфт 1 и 2, которые соединяются с помощью жестко закрепленных пальцев 3, затягиваемых по конусной поверхности гайками 9 с шайбами 8 и надеваемых на пальцы упругих резиновых втулок 4. Для предотвращения осевых смещений полумуфт использованы радиальные винты 6 с пружинными кольцами 7. При передаче крутящего момента полумуфта с ведущими элементами, к примеру с пальцами, давит на резиновые втулки, а последние – на боковые поверхности отверстий ведомой полумуфты. Очевидно, что в этом случае резиновые втулки подвергаются сжатию, на контактирующих поверхностях возникают напряжения смятия, а пальцы при этом изгибаются. Высокое сопротивление втулок деформациям сжатия приводит к сравнительно невысоким способностям муфты в восприятии динамических нагрузок и низким демпфирующим качествам. Для повышения демпфирующей способности втулки выполняются гофрированными или набираются из отдельных колец, выполненных на конус. Высокая жесткость сжимаемых упругих втулок также обусловливает сравнительно невысокие компенсирующие свойства муфты – опускаемые смещения: радиальные а угловые °. Наличие смещений приводит к быстрому износу упругих втулок. Однако простота конструкции, высокая быстроходность и надежность работы, простота замены слабого элемента муфты – резиновых втулок –привели к достаточно широкому использованию МУВП в различных отраслях промышленности. Стандартом (ГОСТ 24424-93) предусмотрены муфты в диапазоне номинальных передаваемых моментов Tном = 6,3-16000 Н*м и диаметров валов dM = 10180 мм с удельной массой (0,024…0,019)кг/Н*м. Допустимая частота вращения в указанном диапазоне параметров составляет (8800…1140) об/мин. Стандартом предусмотрено четыре исполнения полумуфт: в первых двух из них используются цилиндрические формы отверстий, причем исполнение 1 применяются для длинных, а исполнение 2 – для коротких концевиков валов; в исполнениях 3, 4 используются конические отверстия соответственно для длинных и коротких концевиков валов (в соответствии с ГОСТ 12080 и ГОСТ 12081). Фрагмент с коническим исполнением полумуфты также показан на рис. 1.3.
Рис.1.18. Конструкция муфты с аксиально-расположенными
цилиндрическими резиновыми вкладышами
Рис. 1.19. Конструкция муфты упругой втулочно-пальцевой (МУВП)
Рассматриваемый тип муфт, использующих неметаллические упругие элементы, в сравнении с узлами, обладает большей нагрузочной способностью и долговечностью, имеет меньшие размеры, успешно работает при повышенных температурах и в агрессивных средах. Однако такие муфты более жестки и поэтому менее эффективны в снижении ударных нагрузок и демпфировании. Они сложнее по конструкции, изготовлению, монтажу и в эксплуатации, не могут исполнять роль электроизолятора элементов приводных устройств.
Муфты с пакетом радиальных пластинчатых пружин (рис. 1.20). Отечественный стандарт на конструкцию данного типа отсутствует. Типовые муфты с пакетами пружин выпускаются для передачи моментов T = (75…75000) Н*м при диаметре соединяемых валов (25…250) мм. В указанном диапазоне параметров допустимая частота вращения изменяется от 4200 до 800 об/мин. Конструкция муфты включает, к примеру, ведущую 7, ведомую 2 полумуфты, которые соединяются друг с другом посредством нескольких (на рис. 1.20 – шести) радиально расположенных пакетов плоских пружин 6. Составной пакет из отдельных пружин применяется для обеспечения демпфирующего эффекта за счет трения между отдельными пластинами при изгибе пакета. Одним концом пакеты вводятся в пазы ведущей полумуфты и закрепляются в ней кольцом 5, входящим в специальные канавки на пакетах и торце полумуфты. Кольцо винтами 4 закрепляется на полумуфте и фиксирует пружины от радиальных и осевых перемещений. Другим концом пакеты пружин входят в трапецеидальные пазы кольца 3, которое совместно с торцевой крышкой 9, болтами 1, гайками 11 закрепляется на ведомой полумуфте. Торцевая крышка имеет канавку для установки уплотнительного кольца 8.
Как следует из рис. 1.21 и приведенных рассуждений, пакет пружин можно рассматривать как балку, закрепленную одним концом в одной из полумуфт.
В ненагруженном состоянии (движущий момент ) пакет пружин занимает положение, показанное на рис. 1.21 а (угол относительного поворота полумуфт = 0). При нагружении муфты ведущая полумуфта начинает поворачиваться относительно ведомой и деформирует пружины. До определенной деформации пакета плечо приложения тангенциальной силы Ft остается практически неизменным и равным до достижения моментом некоторого значения T1, при котором касательная к упругой линии деформации плоской пружины не совпадает с линией скоса паза ведомой полумуфты, а угол (рис. 1.21 б). Естественно, что при этом жесткость металлической пружины изменяется линейно. Дальнейшее увеличение момента и деформации пакета приводят к смещению точки контакта пружины с боковой поверхностью паза к оси вращения. При этом текущее значение плеча силы Ft-xi будет уменьшаться в диапазоне от до .
Снижение Xi будет иметь место до достижения моментом Tд=T2, а переменность плеча (длины балки) нарушает линейность упругой характеристики муфты. В диапазоне изменения нагрузки от T1 до T2 жесткость муфты становится переменной (участок между т. 1 и т. 2 – рис. 1.21 г) возрастает от до . С увеличением нагрузки, превышающей Т2, плечо силы Ft остается неизменным и упругая характеристики вновь становиться линейной. Очевидно, что замена трапецеидального профиля прямоугольным приведет к полной линейности ее характеристики.
Рис. 1.20. Конструкция упругой муфты с пакетами плоских радиальных пружин
Рис. 1.21. Схема деформирования пакета пружин
при нагружении крутящим моментом Т
и характеристика её жесткости:
а – T = 0; ; б – Т = Т1;
в – T = T2; ; г – упругая характеристика
пакета пружин
Муфта с пакетом аксиальных пластинчатых пружин показана на рис. 1.22. Взаимозаменяемые ведущая 2 и ведомая 4 полумуфты соединяются пакетом пружин 3, закладываемых между специально профилированными радиальными кулачками на обеих полумуфтах. Как и в предыдущей конструкции, пакет из отдельных пружин использован с целью демпфирования колебательных процессов, а выбор профиля кулачка обеспечивает изменение длины пружины в процессе её деформирования и получение нелинейной упругой характеристики муфты. Для фиксации пакетов пружин от радиальных и осевых смещений они помещаются в корпус, состоящий из двух практически одинаковых полукожухов 6 и 8, сцентрированных соответствующими выточкой и выступом, чем они и отличаются друг друга. Полукожухи соединяются болтами 7 с шайбами 9 и гайками 10. Герметизация полости корпуса, образуемого полукожухами, достигается установкой в них манжетных уплотнений 1 и 5, которые удерживают смазку и исключают её загрязнение.
Серийно муфты подобного типа производятся для Т = (180…122000) Н*м и d = (24,5…278) мм и применяются при допустимых частотах вращения (4030…700) мин-1 (частота снижается с увеличением момента).
К рассматриваемым узлам с пакетом аксиальных пружин также относятся муфты американской фирмы «Вальдрон». Они имеют расширенный диапазон параметров эксплуатации и производятся для передачи номинальных моментов (47…275000)Н*м и диаметров соединяемых валов (25…336) мм. В указанном диапазоне параметров удельная масса изменяется от 0,068 до 0,007 кг/Н*м, а допустимая скорость от 4000 до 490 об/мин. Конструкция этой муфты существенно отличается от рассмотренной выше и приведена в [1, с. 93…94].
Рис. 1.22. Конструкция муфты с аксиальными пакетами плоских пружин
Муфта с пакетом гильзовых пружин фирмы «Ренк» показана на рис. 1.23. Передача движения, к примеру, от ведущей 4 к ведомой 6 полумуфте (или наоборот) осуществляется посредством пакетов гильзовых пружин, вставляемых в специальные полуцилиндрические гнезда ведущей полумуфты и промежуточного кольца 5, которое вместе с торцевой крышкой 1, болтами 8 с шайбами 13 и гайками 14 закрепляется на ведомой полумуфте. Центрирование этих соединяемых элементов осуществляется с помощью центровочных поясков с обеих сторон промежуточного кольца 5 и соответствующих проточек на полумуфте 6 и торцевой крышке 1. В этой крышке устанавливается уплотнительное кольцо 3, обеспечивающее герметичность внутренней полости с пружинами и смазкой. Пакет гильзовых пружин в рассматриваемой конструкции состоит из набора отдельных пружин (трех в данном случае) 9, 10, 11 и сердечника 12, который винтом 7 крепится к полумуфте 6. Сердечник применяется в случае необходимости получения нелинейной упругой характеристики муфты [1, с. 95…97]. Типоразмерный ряд выпускаемых фирмой «Ренк» муфт обслуживает диапазон номинальных моментов Т от 14 до 3580 Н*м при диаметре валов (35…100) мм. В отмеченном диапазоне параметров удельная масса изменяется от 0,057 до 0,026 кг/Н*м, а допустимая угловая скорость от 3850 до 1880 об/мин.
Муфта упругая со змеевидной пружиной немецкой фирмы «Мальмеди» показана на рис. 1.24. Муфта состоит из взаимозаменяемых ведущей 3 и ведомой 5 полумуфт, снабженных зубьями, между которыми укладывается змеевидная пружина 4. Осевую и радиальную фиксацию пружин выполняют полукожухи 1 и 6, которые соединяются винтами 7, заворачиваемыми в резьбовые отверстия полукожуха 1. Профилированием боковых рабочих поверхностей зубьев можно создать муфты как постоянной, так и переменной жесткости.
В муфтах постоянной жесткости форма рабочей поверхности зубьев должна обеспечивать неизменность длины деформируемого участка во всем диапазоне нагрузки от нуля до Tном, а в муфтах переменной – значения длины варьируются – . Рабочую боковую поверхность зубьев муфт переменной жесткости обычно профилируют по дуге окружности, так чтобы с увеличением крутящего момента T и поворота полумуфт относительно друг друга точки контакта зубьев с пружиной смещались, уменьшая длину с естественным увеличением жесткости пружины и муфты в целом. В случае достижения нагрузкой значения, при котором =, жесткость муфты становится максимальной и с дальнейшим увеличением Т остается постоянной [1, с. 98…102].
Типоразмерный ряд муфт, производимых фирмой «Мальмеди», обслуживает диапазон номинальных моментов (18…107000) Н*м при диаметре валов от 25 до 320 мм. Удельная масса в указанном диапазоне параметров изменяется от 0,089 до 0,008 кг/Н*м, а допустимая частота вращения – от 4800 до 400 об/мин. Рассматриваемая конструкция обладает хорошими компенсирующими свойствами. Она допускает осевые смещения от 4 до 20 мм, радиальные от 0,5 до 3 мм и угловые до в указанном диапазоне их параметров. К недостаткам муфты со змеевидной пружиной следует отнести сложность изготовления пружин. С целью снижения трудоемкости этой операции такую пружину заменяют на отдельные кольцевые упругие элементы; фрагмент ее также показан на рисунке.
Рис. 1.23. Конструкция упругой муфты с пакетами гильзовых пружин фирмы «Ренк»
Рис. 1.24. Конструкция муфты со змеевидной пружиной фирмы «Мальмеди»
Как отмечалось выше (см. рис. 1.2), в муфтах расцепляемых, самодействующих в зависимости от управляющего параметра, принято выделять муфты предохранительные, центробежные и обгонные. В связи с ограниченностью объема пособия центробежные и обгонные муфты не рассматриваются.
Муфты предохранительные служат для снижения уровня кратковременных перегрузок на элементы привода машин. Их целесообразно располагать в непосредственной близости к месту возможной перегрузки. По конструктивным типам выделяют муфты с неразрушающейся связью ведущей и ведомой полумуфт (фрикционные, кулачковые и шариковые) и с разрушающимся элементом. Последние используются лишь в приводах со сравнительно редкими перегрузками и простоте операции по замене разрушенного элемента.
Муфты кулачковые и шариковые предохранительные используются главным образом в тихоходных ступенях приводов при частотах вращения, не превышающих (1620-300) об/мин в диапазоне изменения моментов от 4 до 400 Н·м и малых маховых массах соединяемых технических объектов. Эти муфты предъявляют повышенные требования к соосности соединяемых валов, поэтому чаще применяются при установке на одном валу для соединения вала с деталями типа зубчатые колеса, звездочки, шкивы и т.п.
Конструкция стандартной кулачковой предохранительной муфты (ГОСТ 15620-96) представлена на рис. 1.25. Ведущая 1, ведомая 4 (возможно наоборот) полумуфты установлены на концевике одного вала и разделены втулкой подшипника скольжения. Передача момента осуществляется посредством кулачков, сформированных на торцевых поверхностях ведомой полумуфты и подвижной втулки 5, устанавливаемой на шлицы ведущей полумуфты. Кулачки трапецеидальной (реже треугольной) формы втулки 5 входят в зацепление с кулачками полумуфты 4 под действием пружин 6 и передают движение с ведущего элемента на ведомый. Регулировка нажатия пружины Fпр осуществляется с помощью упорного стакана 7, регулировочной гайки 9 и фиксирующей многолапчатой шайбы 8. При передаче момента Т на боковых рабочих поверхностях кулачков возникает осевая сила, уравновешиваемая силой прижатия пружин. С ростом Т осевая сила увеличивается и дополнительно деформирует пружины. При определенном уровне нагрузки силовой цепи муфты и величине соответствующей деформации Fa может превосходить силу Fпр и силу трения, возникающую на сопряженных поверхностях кулачков. В этот момент кулачки выходят из зацепления и ведущая полумуфта свободно поворачивается на один или несколько угловых шагов кулачков до снижения нагрузки в силовой цепи, при котором сила сопротивления осевому перемещению кулачков снизится до уровня Fпр. При этом кулачки вновь войдут в зацепление, восстановится передача движения по силовой цепи. Пересопряжение кулачков происходит со значительными ударами. Для исключения разрушения рабочих поверхностей кулачков их подвергают химико-термической обработке, обеспечивающей твердость не ниже (56-57) HRC. Количество кулачков Zk с целью упрощения технологии их формообразования рекомендуют принимать нечетным в диапазоне 3-15.
На рис. 1.26 показана конструкция шариковой предохранительной муфты (ГОСТ 15621-96), принцип действия и устройство которой аналогичны кулачковой, но контакт жесткосвязанных с полумуфтой кулачков заменен зацеплением свободно вращающихся в специальных гнездах одной из полумуфт шариками 4. Подобная замена улучшает эксплуатационные качества рассматриваемых муфт против предыдущих с позиций точности их срабатывания, обусловленные большей стабильностью коэффициента трения качения. Прижатие шариков к кулачкам также осуществляется пружинами.
Муфты комбинированные применяются при необходимости объединения функциональных возможностей нескольких типов муфт. Возможности по созданию различных комбинаций муфт практически не ограничены. Однако наиболее часто в конструкторской практике встречаются объединения компенсирующих муфт с предохранительными, а также упругих и предохранительных (см. рис. 1.2). Как следует из рисунка, различные комбинации муфт по функциональным признакам могут реализовываться с помощью комбинирования по конструктивным признакам. К примеру, среди компенсирующих предохранительных муфт часто применяются разнообразные зубчатые и цепные муфты со срезными штифтами, а также многообразными фрикционными устройствами. Подобные комбинации выполняются не простой последовательной установкой двух рассматриваемых муфт, а объединением их в единый узел, позволяющий существенно сократить габариты, материалоёмкость, трудоёмкость изготовления. Использование комбинированных муфт в курсовых проектах будет весьма полезно студентам, желающим приобрести расширенную конструкторскую подготовку.
На рис. 1.27 показана конструкция комбинированной муфты, в которой компенсирующее зубчатое устройство сочленено с разрушающимся предохранительным элементом в виде срезаемых штифтов. Передача движения от ведущей, к примеру, зубчатой полумуфты 18 с помощью зубчатого зацепления передается к обойме 13 и далее болтовым соединением, включающим болты 15 с соответствующими шайбами и гайками 11 и 10 на обойму 12. Эта обойма зубчатым зацеплением передает движение на втулку 6, которая имеет 2 консоли с расположенными в них втулками 2. Втулки 2 изготавливаются из материалов, обеспечивающих твердость поверхности после соответствующей термической обработки не ниже 50 HRC. Данные втулки предназначены для снижения давления в месте их контакта с консолями втулки 6. В дальнейшем движение от втулок 2 передается на штифты 3 и вновь на втулки 2, установленные в ведомой полумуфте 4. Для исключения выпадения втулок со штифтами отверстия под втулки закрываются винтовыми пробками 1. При достижении передаваемым моментом предельного значения напряжения сдвига в штифтах становятся равными пределу прочности и разрушаются. В этом случае движение на ведомую полумуфту не передается, она останавливается. Для возобновления движения необходима замена штифта.
Поскольку нормальные условия работы зубчатых зацеплений требуют смазки, то в полости зубчатых обойм 12 и 13 предусмотрены пробка 17 с соответствующей прокладкой 16 для подачи смазывающих материалов. С целью удержания смазки со стороны ведущей полумуфты устанавливаются крышки 18 и 21 с уплотнением 6, закрепляемые к зубчатой обойме винтами 7. Аналогичную задачу со стороны обоймы 12 выполняют разъемная крышка с уплотнением 8. Для обеспечения возможности сборки крышка выполнена в виде полуколец 9, соединяемых с помощью болтового соединения на основе болтов 14.
Рисунок 1.28 иллюстрирует конструкцию упругой предохранительной муфты, в которой соединяется торообразная оболочка и фрикционная предохранительная муфта. Передача движения, например, с ведущей полумуфты 8 на ведущие диски 22 осуществляется с помощью шлицевого соединения. Далее крутящий момент за счет момента трения передается на ведомые диски 21. С помощью шлицевого соединения дисков 21 приводится в движение корпус полумуфты 11. Сжатие ведущих и ведомых дисков с целью создания момента трения между ними производится пружинами 4, которые для обеспечения их устойчивости насаживаются на толкатели 5. Регулирование силы нажатия пружин производится специальными гайками 3, вворачиваемыми в нажимной диск 2, который прикрепляется к корпусу полумуфты 11 винтами 24. Корпус полумуфты при проскальзывании дисков в момент перегрузки привода поворачивается относительно ведущей полумуфты на подшипниковых втулках
7, 9.
Занятие первое. Допуск к занятию производится на основе устного или компьютерного контроля самоподготовки по выделенным ниже материалам .
1.4.1. Во время подготовки к первому занятию по подразделу 1.1 знакомятся с целью и задачами работы, функциональным назначением муфт и заполняют табл. О.1 отчета.
Табл. О.1. Задачи занятия. Основные функции муфт
|
Задачи занятия |
1 2 …………………………………………………………………………… |
|
Основные функции муфт |
1 2 …………………………………………………………………………….. |
1.4.2. Также в порядке подготовки к первому занятию по подразделу 1.2 пособия предварительно знакомятся с классификацией механических муфт по функциональным признакам, особенностями их применения и заполняют таблицу О. 2 отчета.
Табл. О.2. Особенности применения муфт выделенных функциональных типов
|
Муфты по функциональным признакам |
Особенности применения муфт |
|
|
1. Муфты нерасцепляемые |
Соединяемые валы в процессе эксплуатации не требуют разобщения |
|
|
|
1.1 . Жесткие неподвижные |
Образуют жесткое соединение валов, к соосности которых предъявляют повышенные требования |
|
1.2. Жесткие компенсирующие |
… |
|
|
… |
… |
|
|
2. … (заполняется для заданного в бригаде функционального признака) |
… |
Рис. О.1. Шаблон классификационной схемы муфт механического принципа действия
1.4.3. В ходе выполнения работы закрепляют знания по классификации муфт и вносят названия классификационных признаков в шаблон, показанный на рис. О.1 отчета. Заполнение шаблона по конструктивным признакам проводится только для заданного в бригаде конструктивного типа муфты. При контроле качества усвоения материала шаблон классификационной схемы для заданного типа муфт заполняется по памяти на мониторе компьютера или на бумажной копии (заполнение при контроле качества усвоения материала проводится по памяти).
1.4.4. Изучают по подразделу 1.3.1.1 на примере типа муфт нерасцепляемых жестких неподвижных конструктивных разновидности, которые входят в этот тип. В соответствии с общими положениями подраздела 1.3.1 и подраздела 1.3.1.1 знакомятся с общими требованиями к муфтам, устанавливают особенности их устройства, усваивают общие принципы их классификации по конструктивным признакам и исполнениям. Получают задания для выделенных бригад студентов на предварительное изучение конструктивных типов муфт заданных функциональных признаков (к примеру, 1-я бригада – муфты нерасцепляемые жесткие компенсирующие, 2-я бригада – муфты нерасцепляемые упругие компенсирующие с неметаллическими упругими элементами и т.д.) с целью подготовки ко второму занятию.
Занятие второе
1.4.5. В ходе подготовки к занятию для заданных бригадам студентов функциональных признаков изучают конструктивные типы серийных муфт, основные их технические параметры и заполняют табл. О.3 отчета, которая здесь не указана. Форму и материалы для нее принимают по таблицам 1.1 и 1.2 первого раздела пособияили по данным [1 – 3].
1.4.6. Разрабатывают бригадой в пределах выделенных функциональных и конструктивных типов муфт материалы баз данных об особенностях их применения, заполняя табл. О.4 отчета. Пример таблицы О.4 для муфт нерасцепляемых жестких неподвижных приведен ниже.
1.4.7. Каждый студент получает задания индивидуально по конструктивному типу муфт (в пределах заданных в п. 1.4.4. функциональных признаков). Изучают их устройство, принцип действия, технические параметры, основные конструктивные исполнения и особенности их применения. Знакомство с конструкцией муфт производят по соответствующим трехмерным (3D) рисункам и описаниям раздела 1.3 пособия, а также с использованием трехмерных твердотельных моделей компьютерной библиотеки типовых стандартных муфт. При работе на компьютере осваивают использование стандартных функций просмотра с различных точек обзора, разрезов, вырывов, разборки на составные элементы и т.п.
1.4.8. Заполняют столбцы «Конструктивные признаки (типы и исполнения)» табл. О.4 отчета для заданных индивидуально конструктивных типов муфт.
1.4.9. Осваивают и закрепляют методы работы на компьютере с типовой 3D твердотельной моделью. При этом используют стандартные функций программных продуктов; рассматривают муфту под желаемым направлением взгляда; выделяют нужные разрезы, вырывы для изучения внутреннего устройства и принципа действия муфты; производят разборку на составные элементы и детали; получают необходимые плоские проекции для простановки размеров, допусков на них и т.п.
Таблица О.4. Материалы БД «Функциональные характеристики и особенности применения серийных муфт»
на примере муфт нерасцепляемых жестких неподвижных
|
Муфты «Нерасцепляемые, жесткие неподвижные» (заполняется для заданного типа муфты) |
|||||
|
Функциональные признаки |
Особенности применения |
Конструктивные признаки (типы и исполнения)* |
Диапазон параметров |
Особенности применения |
|
|
d(d1), мм |
Тном, Н·м |
||||
|
1. Нерасцепляемые |
Соединяемые валы в процессе эксплуатации ТО не требуют разобщения |
||||
|
1.1.Жесткие неподвижные |
Образуют жесткое соединение валов, к соосности которых предъявляют повышенные требования |
1.1.1. Втулочные (ГОСТ 24246-96) Формы отверстий – Ц Тип 1 – Ц-ШТ; Тип 2 – Ц-ШПП; Исполнения по концевикам валов 2.1. Ц1-ШПП; 2.2. Ц2-ШПП; Тип 3 – Ц-ШПС; Тип 4 – Ц-ШЛПС; |
6…105 |
1…12500 |
Наиболее просты по конструкции и изготовлению, минимальны по стоимости производства; имеют минимальный радиальный габарит, массу и момент инерции; работают при окружных скоростях на внешнем диаметре до 75 м/с. Однако обладают малой изгибной и крутильной жесткостью, предъявляют повышенные требования к соосности соединяемых валов. Удельная масса (0,008-0,001) кг/Н*м |
|
1.1.2. Фланцевые ГОСТ 20761-96 Формы отверстий – Ц Исполнения по концевикам валов Ц1-ШПП; Ц2-ШПП; |
11…250 |
16…4000 |
Наиболее надежный и простой вид нерасцепляемых муфт: удобны в монтаже и демонтаже, образуют точное жесткое и надежное соединение валов, способны передавать значительные крутящие моменты. Удельная масса 0,051..0,013 кг/Н·м |
Принятые в табл. О.4. обозначения конструктивных признаков
1. Формы отверстий полумуфт:
Ц – цилиндрические: Ц1 – длинные; Ц2 – короткие;
К – конические: К1 – длинные; К2 – короткие;
ЦК – цилиндрические и конические: ЦК1 – длинные; ЦК2 – короткие.
2. Типы соединений «вал – ступица»:
ШТ – штифтовые по ГОСТ 3129;
ШПП – шпоночные с призматической шпонкой по ГОСТ 10748 или ГОСТ 23360;
ШПС – шпоночные с сегментной шпонкой по ГОСТ 24071;
ШЛПС – шлицевые со шлицами прямобочными средней серии по ГОСТ 1139;
ШЛЭ – шлицевые со шлицами эвольвентными по ГОСТ 6033.
Обозначение соединения «вал – ступица» записываются через тире после обозначения формы. Например, Ц-ШПП – цилиндрическое отверстие с призматической шпонкой; К-ШПС – коническое отверстие с сегментной шпонкой и т.д.
Тематика опытно-конструкторских и научно-исследовательских разработок
1. Расширение библиотеки твердотельных моделей серийных муфт и разработка на их базе новых конструктивных разновидностей.
2. Сбор материалов по функциональным характеристикам и особенностям назначения серийных муфт единого функционального назначения. Разработка на их основе унифицированных БД для подбора типа муфт.
3. Проведение сравнительного анализа конструктивных типов единого функционального назначения и разработка путей совершенствования их конструкций.
4. Знакомство с патентным поиском. Проведение патентного поиска муфт заданного функционального назначения.
Раздел 2. Методика автоматизированного подбора
серийных муфт на основе баз данных
с использованием средств информационных технологий
Практическое занятие. Курсовое проектирование
Цель занятия –
Задачи работы:
1. Изучение общих положений методики автоматизированного подбора серийных муфт с использованием средств информационных технологий.
2. Изучение автоматизированного подбора муфт на основе интерактивного диалога.
3. Разработка универсализированных БД технических характеристик серийных муфт.
2.1. Общие положения автоматизированного подбора серийных муфт
с использованием средств информационных технологий
2.1.1. Общие положения методики автоматизированного подбора серийных изделий
Методы проектирования машин и их элементов с использованием серийных технических объектов (модулей) являются наиболее распространенными. Многообразие типов и типоразмеров производимых серийных элементов машин и постоянно увеличивающийся их ассортимент способствуют расширению модульного метода проектирования новой техники. В таких методах задача проектировщика заключается в обоснованном подборе нужного класса, группы, вида, типа и типоразмера серийного технического объекта на основе всесторонней информации производителей, технических экспертов, результатов эксплуатационных и производственных испытаний, методик подбора и анализа альтернативных вариантов. Большой объем разноплановых сведений, требующихся при проектировании, заставляет концентрировать информацию о конкретном модуле и разрабатывать современные методы поиска и получения на определенных проектных операциях лишь тех данных, которые необходимы для выполнения проводимой проектной операции. В информационных технологиях для решения задач подобного типа широко используются базы данных гибко управляемые (БДГУ). Для управления БД применяются разнообразные методы интерактивного диалога, организуемые с помощью языков визуального программирования (С++, Delphi, Visual Basic и т.д.). Сказанное полностью можно отнести и к муфтам.
На этапе подбора ТО, в том числе типа и типоразмера муфт, а также формирования в дальнейшем необходимых конструкторских документов, включающих сведения о подобранной муфте, требуется информация, которую можно условно систематизировать по следующим разделам:
1. Функциональные характеристики и особенности применения класса, группы и тому подобных для подбора типа ТО.
3. Геометрические параметры технического объекта и его составных элементов, требующиеся для построения твердотельных моделей и чертежей.
4. Материалы элементов ТО и особенности их производства.
5. Технические характеристики и технические условия ТО.
Сразу же отметим, что часть параметров обслуживает решение задач нескольких разделов, и по этой причине их условно относят к тому, в котором эти параметры при проектировании затребованы в первую очередь (конкретизировано ниже). Концентрация информационных материалов о серийных объектах по указанным разделам может производиться в различных формах, удобных с позиций их извлечения и представления для дальнейшей работы с ними. Это важно как в целях осуществления самой операции подбора серийного ТО, так и получения классифицированной информации, требующейся для автоматического формирования всей последующей конструкторской документации (ведомости покупных изделий, чертежей общих видов, сборочных, инструкций по монтажу и эксплуатации и т.д.). В настоящем пособии в связи с ограниченностью объема издания освещены лишь вопросы, касающиеся первых трех разделов.
Подбор серийных ТО является этапом процесса проектирования и поэтому формирование первого конструкторского документа естественно начать с оформления исходных данных – технического задания (ТЗ). При выполнении данного занятия использована унифицированная форма ТЗ, предложенная в работе [6], которая открывает возможности автоматизации формирования исходных данных для всех элементов структуры ТО, начиная с высшего ее иерархического уровня. Разработка ТЗ проводится на основе типовых блоков, основными из которых являются: «Назначение. Типовая разновидность», «Условия эксплуатации», «Параметры эксплуатации», «Параметрические ограничения». Формирование выделенных блоков осуществляется на основе интерактивных диалогов, примеры организации которых показаны ниже. Немаловажно отметить, что стадии разработки технического задания и технического предложения (технической концепции – ТК) неразрывно связаны друг с другом и на практике производятся параллельно, по причине чего в диалоге они объединены. Форма диалога обеспечивает автоматическое формирование конструкторского документа, которым на рассматриваемом этапе является «Техническое задание и техническая концепция (ТЗ и ТК) на проектирование (подбор) муфты».
2.1.2. Автоматизация составления технического задания и технической концепции на проектирование (подбор) муфты
Блок 1. «Назначение. Типовая разновидность. Конструкция иерархического диалога в блоке очевидна из рис. 2.1 и классификации муфт, изученной в предыдущем разделе.
Особенности функциональной характеристики класса муфты, прежде всего, предопределяет требующийся вид соединения валов. Если в процессе эксплуатации узла, механизма, машины не требуется разобщения соединяемых валов, то активизация соответствующей кнопки диалога адресует пользователя к нерасцепляемым муфтам. Дальнейшая детализация функций осуществляется с помощью выбора группы, вида и других классификационных признаков, характеризующих тип связи ведущего и ведомого элементов. Как следует из изученной выше классификации, здесь выделяют следующие группы муфт: жесткие, жесткие компенсирующие и упругие компенсирующие. В диалоге рис. 2.1 для примера выбраны жесткие компенсирующие муфты. За описанием функциональных признаков следует выбор конструктивного типа муфты, с помощью которого можно реализовать требуемые функции, например цепной, как показано на рисунке.
Каждый этап диалогов поддерживается необходимой справочной информацией для сознательных и обоснованных действий пользователя, которая автоматически выводится в справочном окне обсуждаемой экранной формы. Информация для составления обсуждаемого раздела «ТЗ и ТК» черпается из соответствующих БД «Функциональные характеристики и особенности применения муфт», применительно к заданному в первом разделе типу муфт. Материалы к БД собираются при вылолнении первого занятия (см. табл. О.2 по разделу 1). На обсуждаемом рабочем экране целесообразно указать значение требуемых номинального момента Тном и частоты вращения n, которые корректнее отнести к параметрам эксплуатации. Однако объединение ТЗ и ТК обусловливает необходимость в блоке функционального описания проектируемого объекта наметить пути реализации требуемых функций, зависящих от величины нагрузки и частоты вращения. Нужная информация для разработки диалогов различных классификационных групп и типов муфт также содержится в разделе 1 настоящего пособия и работах [1 – 3].
Рис. 2.1. Организация диалога при назначении типа муфт на примере муфты цепной
Блок 2. «Условия эксплуатации» (рис 2.2). Условия эксплуатации характеризуют параметры, являющиеся внешними по отношению к проектируемому (подбираемому) объекту. Здесь в соответствии с ГОСТ 15150 – 69, основанном практически на международных нормативах, выделяют климатическое исполнение, категорию размещения, производственные условия, условия транспортирования и хранения. Организация диалога очевидна из рисунка. Всю информацию об условиях и параметрах выделенных выше категорий получают из БД, которые можно составить на основе материалов отмеченного стандарта. При работе программы в составе проектирования элементов структуры ТО более высокого по отношению к муфте иерархического уровня (к примеру, привода машины) формирование блока производится автоматически по данным элемента высшего уровня, структурным элементом которого она является.
Блок 3. «Параметры эксплуатации» (рис. 2.3). К параметрам эксплуатации отнесены все данные, характеризующие взаимодействие внутри технического объекта, которые связаны с выполнением его силовых функций. Наиболее универсальные из них– режим нагружения, кинематические параметры, ресурс.
Как известно, нагрузка элементов машин определяется сопротивлениями движению рабочих органов и динамическими явлениями в силовых цепях, которые в большинстве случаев являются переменными во времени величинами. В подобных случаях параметризуется нагрузка нагрузочным графиком (законом изменения нагрузки во времени) либо циклограммой (законом изменения нагрузки в цикле). Далее нагрузки на рабочих органах методами силового анализа приводятся ко всем силовым структурным элементам, в том числе и муфтам. В современной практике инженерных расчетов муфт из циклограмм обычно используют номинальный (максимальный длительно действующий) момент Тном. Для некоторых типов муфт также выделяют максимальный из всего спектра нагрузок кратковременный (пиковый) момент Тпик. Первый из них и используют для расчетов на усталостную прочность циклически нагружаемых деталей муфт, а второй – для обеспечения квазистатической прочности их силовых элементов. С позиций выбора конструктивного типа муфты и последующих ее прочностных расчетов немаловажно отметить наличие реверсивности ее движения.
Из кинематических параметров обычно указывается частота вращения соединяемых валов n с целью проверки ограничения ее значения для различных типов и типоразмеров муфт, а также установления числа циклов напряжений циклически нагружаемых элементов муфт. В случае необходимости динамического анализа требуются параметры, характеризующие закономерность изменения скорости на нестационарных режимах работы привода. Потребность в ресурсе работы муфты Lh возникает при расчетах циклически нагружаемых элементов на долговечность и надежность.
Блок 4. Параметрические ограничения (рис 2.4). Данный блок предназначен для отсеивания из предложенных работоспособных альтернативных вариантов муфт таких, технико-экономические параметры которых выходят за установленные границы. К примеру, ограничение габаритных, присоединительных размеров, массы, динамического момента инерции и т.п. Ограничение габаритных размеров может быть связано с общей компоновкой отдельных узлов, механизмов и машин в целом. Особое место для муфт занимают ограничения по присоединительным размерам. При этом, как следует из диалога, в реальном проектировании возможны три ситуации, инициируемые соответствующими кнопками меню.
Рис. 2.2. Организация диалога при формировании условий эксплуатации
Рис. 2.3. Организация диалога при формировании параметров эксплуатации
Первая из них предусматривает подбор муфты для соединения валов готовых серийных или оригинальных изделий, когда жестко заданы формы и размеры как концевиков соединяемых валов, так и тип, геометрия использованных соединений «вал – ступица». Именно этот вариант показан на рис 2.4. В процессе диалога устанавливаются цилиндрическая, коническая или возможная другая форма концевиков, характерные размеры их сечений и длин. Геометрия соединений «вал – ступица» устанавливается посредством идентификации в диалоге их типов и типоразмеров. Если программа подбора муфты входит в состав системы проектирования технического объекта, в котором муфта является составным изделием, то указанные сведения поступают в программу формирования ТЗ и ТК автоматически из сборочной единицы более высокого уровня. В подобных случаях соединяемые готовые изделия (к примеру, двигатель и редуктор привода) подбирают в первую очередь, их присоединительные размеры становятся известными параметрами. Если программа подбора муфты работает автономно, то указанные сведения вводятся непосредственно пользователем с клавиатуры в процессе диалога.
Во второй ситуации подбираемая муфта соединяет валы готового и проектируемого изделий. Геометрия концевика вала готового изделия устанавливается так же, как и в предыдущем случае, а ограничения на присоединительные размеры концевика проектируемого объекта снимаются. При этом геометрию концевика вала проектируемого изделия целесообразно назначать в соответствии с размером отверстия намеченной к использованию полумуфты.
Снимаются ограничения на присоединительные размеры концевиков обоих соединяемых валов в третьей ситуации, когда побирается муфта для соединения валов проектируемых изделий. Геометрию концевиков проектируемых валов естественно назначить по размерам отверстий серийных планируемых к использованию полумуфт.
В заключении подраздела заметим, что формирование диалогов ТЗ и ТК по блокам составлены таким образом, что они позволяют автоматически формировать конструкторский документ «Техническое задание и техническая концепция на проектирование (подбор) муфты». Пример фрагмента этого документа показан в табл. 2.1. После подписи ТЗ и ТК уполномоченными лицами они приобретают статус юридического документа.
Рис. 2.4. Организация диалога при описании параметрических ограничений
Табл. 2.1. Техническое задание на подбор (проектирование) муфты
|
|
|
1.1. Класс муфты по виду соединения |
Нерасцепляемая (соединяемые валы в процессе эксплуатации технического объекта не требуют разобщения) |
|
1.2. Группа муфты по виду связи соединяемых валов |
Жесткая компенсирующая (не предъявляет повышенных требований к соосности соединяемых валов и не требует снижения динамических нагрузок) |
|
1.3. Конструктивный тип муфты |
Цепная (обеспечивает надежную работу в диапазоне номинальных моментов – (63-16000), максимально допустимой частоты вращения валов (1500-660)об/мин при удельной массе (0,003-0,01)) |
|
|
|
2.1. Категория размещения |
Укрупненная категория 3 (для эксплуатации в открытых помещениях(объемах) естественной вентиляции без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры, влажности воздуха и воздействия песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе). |
|
2.2. Климатическое исполнение |
Проектируемое изделие климатического исполнения У(Т) может использоваться в географических районах с климатами ХлУ(СТ), ТпУ(WT) и ТпСУ(WDrT). Абсолютные экстремальные значения температуры max = +45°C, min = -70°C. Значение среднегодовой абсолютной влажности порядка 10 |
|
2.3. Производственные условия эксплуатации |
Место установки изделия – чистые закрытые отапливаемые или вентилируемые помещения (категория 4 по ГОСТ 15150-69); (относительная влажность воздуха не более 40%;), содержание пыли не более 5 |
|
|
|
3.1. Нагрузка по направлению |
Нереверсивная |
|
3.2. Передаваемый крутящий момент |
|
|
3.2.1. Номинальный длительно действующий |
200 Н*м |
|
3.2.2. Пиковый |
300 Н*м |
|
3.3. Частота вращения |
|
|
4. Параметрические ограничения |
|
|
4.1. Ограничения габаритных размеров муфты по … |
… |
2.2. Автоматизированный подбор типоразмера серийных муфт
на основе интерактивного диалога
Подбор типоразмера муфты, тип которой в соответствии с общими функциональными требованиями принят при формировании ТЗ и ТК, осуществляется по таким требованиям: возможность сочленения полумуфт и концевиков валов с заданными формами, размерами и параметрами соединений «вал – ступица»; обеспечение работоспособности при заданных условиях и параметрах эксплуатации. Выбор серийного изделия с одновременным учетом ряда факторов и требующимся большим объемом информации определенным образом усложняет задачу, которую можно упорядочить и упростить в интерактивном диалоге.
В приведенном диалоге (рис. 2.5.) на одной экранной форме осуществляется предварительный подбор типоразмера муфты по форме и диапазону диаметров и длин концевиков валов, типу соединения «вал – ступица», климатическому исполнению, категории размещения и производственными условиями, крутящему моменту. С целью упрощения действий проектировщика на рабочем экране располагается вся требуемая информация для проведения проектных операций, а также автоматически формируются выходные данные в форме, практически не требующей дополнительной корректировки при включении в соответствующие конструкторские документы. На рабочем экране выделены три столбца. В первом из них размещается информация по требуемым параметрам муфты; во втором – диапазон соответствующих параметров выбранного в ТЗ и ТК типа муфты; а в третьем – заключение о возможности использования данного типа муфты по обсуждаемым критериям.
В операции 1.1 (рис. 2.5) производится проверка соответствия формы и диаметров соединяемых концевиков валов с формой и диапазоном отверстий серийных полумуфт подбираемого типа. В первом столбце этой операции сначала приводится геометрия сочленяемых концевиков валов, а затем – соединений «вал – ступица». В диалоге рис. 2.5 показан вариант подбора муфты для соединения валов двух серийных изделий, то есть изделий с жестко регламентированными формами и размерами концевиков и деталей соединений «вал – ступица». Сведения о геометрии соединяемых концевиков получают автоматически из блока «Параметрические ограничения» ТЗ и ТК на подбор муфты. Для примера в указанном блоке ТЗ и ТК поставлена задача о подборе цепной муфты для соединения двух одинаковых цилиндрических хвостовиков валов диаметром 40 мм с шпоночным соединением призматической шпонкой по ГОСТ 23360 (см. рис. 2.4). Именно эти параметры отражены в первом столбце диалога.
Второй столбец первоначально указывает формы посадочных отверстий, а также диапазон их диаметров и длин, которые поступают из БД «Функциональная характеристика и особенности применения муфт», разрабатываемой на основе материалов, которые собраны в процессе выполнения второго лабораторного занятия (см. табл. О.4) для заданного типа муфт, например цепных. Наличие на экране как требуемых, так и имеющихся для выбранного типа муфты указанных параметров позволяет пользователю сделать положительное или отрицательное заключение о возможности ее использования, активизируя соответствующую кнопку в третьем столбце. Такое соответствие имеет место (рис. 2.5), потому задействована первая кнопка. Отсутствие соответствия говорит о невозможности применения выбранного серийного изделия без дополнительных его изменений. В этом случае конструктор обязан выбрать дальнейшие пути следования, которые и сформулированы во всплывающем меню. Поскольку в рассматриваемом примере, как указано выше, такое соответствие имеет место, то меню, естественно, не воспроизведено на рабочем экране. Если же возникает ситуация, когда форма отверстия полумуфт, диапазон их диаметров « Не имеют соответствия концевикам валов», то появляется упомянутое меню (рис. 2.6).
Рис 2.5. Организация диалога при выборе типа и конструктивного исполнения муфты
Рис. 2.6. Пример организации меню разрешения противоречий при проверке соответствия формы и диапазона диаметров отверстий полумуфт
Первый путь – отказ от использования выбранного конструктивного типа, возвращение в порядке итерационного режима проектирования в блок технического задания и технической концепции, где аналогично исследуется возможность применения другого конструктивного типа муфты в пределах выбранных или частично корректированных приемлемых функциональных признаков. Второй вариант предполагает исследование возможности применения выбранного типа муфты с изменением геометрии его посадочных отверстий. Этот вариант приемлем, если данная корректировка не нарушает работоспособности полумуфт и муфты в целом и предусматривает последующую разработку (корректировку) рабочих чертежей полумуфт и согласование возможности их производства с изготовителем. Наконец, третий путь заключается в отказе от подбора серийной муфты и переходе к проектированию несерийной конструкции. Важно помнить, что этот путь является, как правило, наиболее дорогостоящим и обращение к нему рационально лишь при исчерпании возможности двух первых вариантов преодоления возникших противоречий.
На операции 1.2 диалога (рис. 2.5) проверяется соответствие требуемого типа соединения «вал – ступица» с имеющим место в подбираемой муфте. В первом столбце для выполнения поставленной задачи располагаются сведения о типах соединений «вал – ступица» на сочленяемых валах. Во втором столбце находится информация о конструктивных исполнениях подбираемой в рассматриваемом примере цепной муфты, которая содержит сведения об исполнениях обсуждаемых соединений данных муфт. Так, в цепной муфте стандартом предусмотрено четыре исполнения полумуфт:
исполнение 1 – с цилиндрическим отверстием для коротких концевиков валов по ГОСТ 12080 и призматической шпонкой по ГОСТ 23360 или ГОСТ 10748;
исполнение 2 – с коническим отверстием для коротких концевиков валов по ГОСТ 12081 и призматической шпонкой;
исполнение 3 – с цилиндрическим отверстием и прямобочными шлицами средней серии по ГОСТ 1139;
исполнение 4 – с цилиндрическим отверстием и эвольвентными шлицами по ГОСТ 6033.
Сопоставление данных первого и второго столбцов позволяет сделать заключение о том, что для соединяемых валов подходит исполнение 1 (исп. 1) цепной муфты и, следовательно, в третьем столбце следует отметить, что исполнения соединений «вал – ступица» соответствуют друг другу. С целью автоматизации операции составления условного обозначения подбираемой муфты в диалоге третьего столбца предусмотрено дополнительное подменю, выделяющее две возможные проектные ситуации. В первой из них требуется соединить валы, концевики которых полностью одинаковы, то есть обе полумуфты будут совершенно идентичны. Во второй ситуации концевики вала различаются по форме или исполнению либо в их комбинации, но для обоих из них в стандарте исследуемой муфты имеет место соответствие.
Условное обозначение в первом случае будет иметь полностью стандартный вид. Применительно к рассматриваемой цепной муфте после выполнения операций 1.1 и 1.2 оно записывается в следующем виде (рис. 2.7 а).
Рис. 2.7. Условное обозначение муфт, к примеру цепной
после выполнения операций 1.1 и 1.2, для случая:
а – полумуфты полностью одинаковы;
б – при различных параметрах полумуфт по исполнению
Заполнение условного обозначения осуществляется полностью автоматически в ходе подбора муфты. С этой целью под описанием каждого исполнения полумуфты на рабочем экране (см. столбец 2 на рис. 2.5) размещена кнопка шаблона условного обозначения, в котором в соответствующем окне (в данном примере – окне типа муфты и исполнения полумуфты) записываются их принятые условные обозначения. Для реализации записи пользователю необходимо активизировать кнопку нужного исполнения полумуфты. Если концевики ведущего и ведомого валов различны, то пользователю дается указание об активизации кнопок двух нужных исполнений полумуфт. При этом в дальнейшем условное обозначение муфты будет представлено в виде дроби, как это показано на рисунке 2.7 б. Цифра 2 в знаменателе столбца «исполнение полумуфты».
В том случае, если соответствия концевиков валов и отверстий полумуфт по проверяемым требованиям нет, то пользователь, активизируя нужную кнопку в третьем столбце, вновь вызывает меню возможных действий по исключению возникших противоречий. Действие проектировщика повторяется в соответствии с меню предыдущей операции, представленной на рис. 2.6.
Следующая операция обсуждаемого диалога посвящена проверке соответствия климатического исполнения и категории размещения (рис. 2.8). В первый столбец диалога из ТЗ и ТК поступает информация о требуемом климатическом исполнении, категории размещения ТО (муфты в данном случае), записанное в виде общепринятого российского (международного) условного обозначения. Во второй столбец из БД «Параметры для подбора типоразмера серийных муфт», разрабатываемой на основе таблицы 2.2, поступают сведения о климатических исполнениях и категориях размещения, которые предусмотрены стандартом на цепную муфту (см. столбец «ПУЭ» – предусмотренные условия эксплуатации в таблице 2.2). ПУЭ во втором столбце диалога записаны в соответствующих кнопках. Пользователь при наличии нужных исполнений должен активизировать соответствующую кнопку. Информация об этом вновь будет включена автоматически в нужное окно последовательно заполняемого условного обозначения муфты (см. рис. 2.8).
В случае отсутствия соответствия цепной муфты требованиям климатического исполнения пользователь отмечает возникшую ситуацию нажатием соответствующей кнопки в третьем столбце. При этом вновь, как и в двух предыдущих задачах, всплывает меню о путях разрешения проблемной ситуации. Всплывающее меню в данном случае не будет отличаться от приведенного на рис. 2.6. Отличия будут касаться лишь инструментов преодоления возникших противоречий.
Рис. 2.8. Организация диалога при проверке соответствия муфты
климатическим условиям и категории размещения
На заключительном этапе подбора муфты устанавливается ее типоразмер (рис. 2.9). Слева на рабочем экране вновь отображается информация о геометрии концевиков валов соединяемых узлов. В столбце параметров выбранного типа серийной муфты предусматривается решение задачи в двух ситуациях: первая – соответствует случаю соединения полностью одинаковых концевиков валов (рис. 2.9), а вторая – при соединении концевиков с отличающимися геометрическими параметрами. Во втором столбце слева имеются окна, в которых пользователем прокручиваются значения диаметров d и длин посадочных отверстий полумуфт. В окне, расположенном справа от отмеченных окон, автоматически «в связке» с d прокручивается значение допустимого номинального момента []. Информация об указанных параметрах поступает из отмеченной выше БД «Параметры для подбора типоразмера серийных муфт», разрабатываемой на основе табл. 2.2. Так как требуемое значение диаметра отверстия серийных полумуфт обычно имеет место в нескольких их типоразмерах, то в столбце выделены возможные варианты. Например, для цепной муфты с требуемым диаметром отверстия 40 мм, как следует из табл. 2.2, этот размер содержат два типоразмера: вариант 1 – с []=250 Н*м и вариант 2 – с []=500 Н*м. При решении задачи проектант прокручивает в окне значения диаметров отверстий полумуфт, начиная с наименьшего типоразмера. Если требуемый диаметр отверстия имеет место, то пользователь фиксирует его в первом варианте с соответствующим значением []. Такое действие означает, что подбираемая муфта отвечает требованию соответствия диаметрам концевиков валов. Далее необходимо проверить работоспособность этого варианта. Применительно к серийным муфтам проверка критерия работоспособности заключается в соблюдении соотношения
, (2.1)
где Тр – расчетный момент, его значение устанавливается по величине заданного номинального (максимального длительно действующего) момента по формуле
Тр = К * Т. (2.2)
Значение коэффициента К, учитывающего условия эксплуатации привода, можно принять по данным [1, табл. 1.2]. Для нашего примера назначим К = 1.3, что соответствует постоянной нагрузке с кратковременными перегрузками до 150% от номинальной. Тогда Тр = 260Н*м. Значения [Тном] приводятся в табл. 2.2, а методы расчета допустимого номинального момента раскрыты в подразделе 4.1.4. Сравнение Тр и выведенного в окне значения допустимого момента [Тном]= 250 Н*м указывает на нарушение условия (2.1). В подобных случаях целесообразно проверить величину перегрузки Т; если она не превышает (3…5)%, то серийное изделие можно использовать. В нашем примере величина перегрузки составляет 4% и информация об этом для варианта 1 поступает в столбец «Заключение о возможности использования муфты». Пользователю посредством соответствующих кнопок предоставляется право принять данный вариант к дальнейшему рассмотрению или его отклонить. Положительное заключение принято на рис. 2.9. После этой операции заполняются свободные окна условного обозначения «Номинальный допускаемый момент» и «Диаметр отверстия» и заканчивается автоматическое его формирование. Обозначение муфты в варианте 1 выводится на рабочий экран.
Дальнейшая прокрутка значений d, продолжающаяся в окне второго варианта, позволяет установить наличие иных решений. Как видно из содержания этого окна и таблицы 2.2, следующий типоразмер муфты ([Тном]=500Н*м) тоже содержит значение заданного размера 40 мм, поэтому он также может быть принятым к рассмотрению. Для этого типоразмера условие (2.1) выполняется с боьшим запасом. Решение об использовании варианта 2 вновь принимает проектант. После его одобрения условное обозначение типоразмера муфты в варианте 2 также выводится на рабочий экран. Последующая прокрутка d показывает, что в больших типоразмерах муфты диаметры отверстий полумуфт превышают диаметры концевиков соединяемых валов, и, следовательно, вариант 3 отсутствует. Данное обстоятельство пользователь констатирует активизацией соответствующей кнопки. После чего на рабочий экран выводится сводная таблица технико-экономических параметров, принятых к анализу типоразмеров муфты. Информационные материалы в таблицу поступают из упомянутой выше БД «Параметры для подбора типоразмера серийных муфт». Наличие исчерпывающей информации о рассматриваемых вариантах позволяет конструктору принять оптимальное решение.
Таблица 2.2 Материалы БД параметров для подбора серийных муфт на примере муфт цепных (фрагмент)
|
Параметры для подбора серийных муфт и их технико-экономическая характеристика (ППСМ и ТЭХ) |
|||||||||||||||||||
|
Допускаемые моменты |
Формы и размеры отверстий полумуфт * |
ПУЭ |
[n], мин -1 |
Допускаемые смещения осей валов |
Масса муфты |
J кг м2 |
Габаритные размеры муфт |
||||||||||||
|
[] Н*м |
[Тпик] Н*м |
d |
Ц |
К |
l, мм |
r, мм |
, град |
m, кг |
mуд кг/Н*м |
D r |
L r |
||||||||
|
l, мм |
|||||||||||||||||||
|
Исполнения |
Исполнения |
Исполнения |
|||||||||||||||||
|
1 |
3, 4 |
2 |
1,2 |
3,4 |
1,2 |
3,4 |
1 |
2 |
3,4 |
||||||||||
|
250 |
- |
32 35 36 (38) |
58 |
42 |
39 |
У1, У2, У3; Т1, Т2, Т3; УХЛ 4; О4 |
1200 |
- |
0,25 |
1,0 |
4,5 |
4,0 |
0,018 |
0,026 |
- |
140 |
162 |
124 |
86 |
|
(40) (42) 45 |
82 |
57 |
5,5 |
4,5 |
0,022 |
222 |
172 |
118 |
|||||||||||
|
500 |
- |
40 (42) 45 (48) 50 (53) 55 (56) |
82 |
57 |
1080 |
- |
0,32 |
1,0 |
11/0 |
0,025 |
- |
200 |
222 |
172 |
118 |
||||
|
1000 |
- |
50 (53) 55 (56) |
82 |
57 |
940 |
- |
0,40 |
1,0 |
13,0 |
0,013 |
- |
210 |
284 |
172 |
168 |
||||
|
60 63 … |
105 |
73 |
Примечания:
1.*Геометрические параметры менее предпочтительного 2-го ряда приведены в скобках.
2.Принятые обозначения и сокращения: [n] – максимально допустимая частота вращения;
[Тном] , [Тпик] – допускаемый номинальный и пиковый крутящий момент соответственно; l – осевое допустимое смещение валов; r – радиальное допустимое смещение валов; α – угловое допустимое смещение валов;
Ц, К – цилиндрическая и конусная форма посадочных отверстий соответственно; m – абсолютная масса муфты;
d, d1 – диаметры посадочных отверстий цилиндрических и конических соответственно; mуд – удельная масса муфты;
l –длина посадочных отверстий ; Lr – габарит муфты по длине; I – динамический момент инерции;
ПУЭ – предусмотренные условия эксплуатации стандартной муфты; Dr – диаметральный габарит муфты.
Рис. 2.9. Организация диалога при выборе типоразмера цепной муфты
Если концевики соединяемых валов имеют отличия, то подбор параметров полумуфт проводится по тому же диалогу и выполняется последовательно для каждой полумуфты отдельно.
В дальнейших операциях процесса проектирования технического объекта серийные изделия фигурируют как составной элемент, и информация о нем должна поддерживать автоматизированный режим их выполнения. К примеру, для автоматического получения изображения муфт на различных чертежах (чертежи общего вида, сборочные чертежи, монтажные чертежи) разработаны материалы для БД «Геометрические параметры муфт и ее элементов». С помощью этой базы должны быть параметризованы все необходимые геометрические размеры муфты в целом, отдельных ее деталей и построено их изображение как в трех-, так и в двухмерном виде. Содержащая в БД информация позволяет как построение рабочих чертежей, так и редактирование конструкции стандартной муфты. Таким образом, предлагаемый метод может служить инструментом, обеспечивающим автоматизированное сопровождение документации серийного изделия по всей цепи процесса проектирования технического объекта, структурной единицей которого оно является.
Тематика самостоятельных опытно-конструкторских
и научно-исследовательских разработок
1. Сбор материалов и разработка унифицированных, гибко управляемых БД для автоматизации подбора типоразмера серийных муфт;
2. Разработка алгоритмов и элементов программного обеспечения автоматизированного подбора муфт на основе интерактивного диалога и унифицированных БД;
3. Сбор материалов по геометрическим параметрам муфт и их отдельных элементов для автоматизации получения графических конструкторских документов (сборочных, рабочих чертежей, спецификаций и т.п.) .
Раздел 3. Методика построения объемных моделей муфт
их составных элементов
Практическое занятие. Курсовое проектирование
Цель занятия –
Задачи работы:
В последние годы с развитием компьютерной техники и программных продуктов становятся доступными методы трехмерного отображения разнообразных объектов в процессе конструирования. При этом в построении объемного изображения (3D моделей) принято выделять каркасное, поверхностное и твердотельное моделирование. Для конструирования сложных по составу и форме объектов, муфт в том числе, используют твердотельные 3D модели. Характерной особенностью таких моделей является наделение описанных объемов в границах каждого из самостоятельных элементов объекта свойствами материала этих элементов. Твердотельное моделирование наряду со значительно более качественным и быстрым пониманием объекта конструирования в соответствии с его реальным объемным изображением, использованием фотореалистического эффекта, возможности цветового выделения отдельных элементов конструкции обеспечивает ряд важнейших достоинств в процессе конструирования. Среди них выделим:
1) автоматическое получение плоских (2D проекций), сечений, разрезов при любых направлениях взгляда; рассмотрение отдельных элементов конструкции с практически неограниченным увеличением или уменьшением;
2) автоматическое определение таких важнейших параметров качества изделий, как площади поверхности, объема, массы, момента инерции, координат центра масс и т.п.;
3) создание предпосылок использования высокоэффективного метода конечных элементов в исследовании прочностных задач, установлении закономерности деформирования элементов конструкции, вычислении параметров движения газовых и жидкостных потоков и т.п.;
4) выявление недопустимого пересечения, соприкосновения элементов конструкций в пространстве, которые исключают их сборку и совместную работу;
5) возможность имитации процесса движения различных элементов механизмов, генерации траекторий их движения и установление динамических параметров;
6) возможность исследования технологического процесса сборки, разборки, ремонта сборочных единиц;
7) использование трехмерного описания деталей конструкции для составления их рабочих чертежей и последующей разработки технологии изготовления, обеспечивает предпосылки неформального интегрирования процесса проектирования и технологической подготовки производства.
3.1. Общие замечания по методике построения модели
На начальном этапе построения 3D модели для технических объектов, представляющих сборочные единицы, механизмы и так далее выделяют его элементы, доходя до низшего в иерархии рассматриваемого ТО уровня – деталей. Изучаемые объекты моделирования – муфты, главным образом представляют простейшие сборочные единицы, включающие лишь отдельные детали. Однако в сложных муфтах приходится выделять дополнительные сборочные единицы. В подобных случаях также требуется установить структуру дополнительных сборочных единиц, затем моделируются их детали. В настоящем пособии рассматриваются муфты, включающие только детали.
После структурирования проектируемого объекта предварительно назначают расположение главных (общих) координатных осей ТО в целом и его отдельных элементов. Применительно к составным элементам механизмов, машин, представляющих в сборке тела вращения, какими являются рассматриваемые муфты, одну из координатных осей направляют вдоль оси вращения, а для его составляющих элементов расположение осей целесообразно согласовать с ориентацией этих элементов в сборочных единицах и выбранными общими координатными осями. Так, для ведущей 1 и ведомой 4 полумуфт, подшипниковой втулки 2, стопорного кольца 3, кулачковой втулки 5, прижимного диска 7, шайбы 8 и гайки 9, показанных на рис. 3.1, рационально использовать те же оси, что и для муфты в целом. Ориентация осей аксиально расположенных шпонки 10 (X1, Y1, Z1) и пружины 6 (X2, Y2, Z2) показана на рисунке. Координатные оси должны быть «привязаны» к главным осям.
Рис. 3.1. Выделение общих координатных осей и осей отдельных деталей
на примере кулачковой предохранительной муфты
Далее выделяют из сборочной единицы деталь, которая может служить основанием (базовым элементом, базой) для построения 3D модели изделия в целом. Достаточно строгого рецепта по назначению базового элемента нет. В качестве базы модели обычно выбирают детали, занимающие достаточно большой объем и ориентированные в соответствии с выделенными осями. Может быть принято во внимание последовательность объединения отдельных элементов в единое целое, где отрабатываются на начальном этапе проектирования вопросы сборки изделия и создаются предпосылки интегрирования процесса проектирования и технологической подготовки производства. Для рассматриваемой предохранительной кулачковой муфты базовым элементом может служить полумуфта 1.
После выбора базового элемента приступают к построению ее 3D модели. На начальной стадии построения модели следует выделить стержневой ее элемент – основание (базу детали). В качестве основания детали, так же как базового элемента изделия, чаще всего используют наиболее крупный элемент, ориентированный по выделенным осям, который в простейших случаях может быть получен как тело выдавливания или вращения. Такое тело называют объемным примитивом, а плоскую фигуру, которую используют в операциях выдавливания или вращения, – эскизом. Примеры простейших деталей, объемные примитивы которых могут быть получены способом выдавливания или вращения, показаны на рис. 3.2. Для получения усеченного конуса используют эскиз в виде неравнобокой трапеции (рис. 3.2 а); втулка может быть получена выдавливанием эскиза в виде кольца (рис. 3.2 б), а призматическая шпонка с плоскими торцами – выдавливанием прямоугольника (рис. 3.2 в). Для наглядности эскизы на рисунках выделены штриховкой. Заметим, что втулка также может быть образована вращением прямоугольника с основанием параллельным оси вращения и удаленный от нее на наружный радиус. Способ получения примитива в каждом из подобных случаев выбирается непосредственно конструктором. Немаловажную роль в построении 3D модели имеет учет технологии изготовления детали. Подобный подход обеспечивает неформальное интегрирование процесса проектирования и технологии изготовления на ранних стадиях жизненного цикла изделия. Примеры отмеченного подхода рассмотрены ниже.
Рис. 3.2. Объемные примитивы простейших деталей, полученных методами:
а –вращения; б, в – выдавливания
В большинстве случаев детали имеют сложные с геометрических позиций формы, которые можно получить путем соединения нескольких примитивов. Их соединения осуществляются с помощью булевых операций, базирующихся на понятиях алгебраической теории множества. При твердотельном моделировании используют булевы операции: объединения (U), разности (-) (операции вырезания выдавливанием и вращением в программных продуктах КОМПАС фирмы «АСКОН»), пересечения (Ω). Операция объединения предназначена для описания составной формы, полученной из двух тел с общей областью. Операция разности определяет пространство, оставшееся от одной формы и внешней границей общей области двух форм. Операция пересечения определяет пространство внутри границ общей области объектов. Примеры использования булевых операций будут рассмотрены ниже в примерах построения отдельных деталей муфт.
Кроме описанных типовых функций с применением для моделирования эскизов создание 3D моделей деталей машин, элементов муфт в том числе, программные разработки содержат ряд стандартных операций, выполняемых без составления эскиза. К безэскизным операциям относят образование фасок, галтелей, скруглений, копирования. Операция копирования применяется для повторения симметричных относительно оси отверстий, зубьев, шлиц и т.п. Все эти операции также проиллюстрированы ниже.
3.2. Методика построения 3D моделей деталей муфт
3.2.1. Моделирование полумуфты 1 предохранительной кулачковой муфты
Первичная операция по разобщению муфты на отдельные детали проведена на рис. 1.29 и 3.1. Изучение рисунков позволяет выработать объемное представление о каждом элементе конструкции, выбрать координатные оси и способ получения их трехмерных примитивов, включая полумуфту. Как отмечено выше, полумуфта представляет собой тело вращения с общей осью муфты. Исключение составляют пружины и шпонка, положение осей которых показано на рис. 3.1. Рассмотрим получение 3D моделей характерных деталей кулачковой муфты. Моделирование полумуфты в целях интегрирования процесса проектирования и технологии изготовления проводим в максимальном соответствии с последовательностью операций технологии ее производства (табл. 3.1).
Первую операцию назовем операцией получения «заготовки». В качестве заготовки для полумуфты цилиндрической формы с незначительной разницей максимального и минимального внешних и внутренних размеров целесообразно выбрать круглый прокат (пруток) с отрезкой в размер по длине полумуфты (разумеется, с припусками на обработку). В соответствии с этим образуем цилиндрическую заготовку методом вращения эскиза с размерами, равными радиусу и длине полумуфты (операция 1.1 в табл. 3.1).
Вторая операция для краткости изложения материала объединяет выдавливание двух отверстий (операция 1.2 в табл. 3.1), которая с позиций построения модели является двухоперационной. Сначала на правой части заготовки выдавливается большее свободное по размерам отверстие длиной L и диаметром d1, который обеспечивает выход режущего инструмента при нарезании шпоночного паза. Затем на левой части заготовки выдавливается отверстие со шпоночным пазом размерами по диаметру dв h7 и длиной Lп. Кроме параметров отверстия, слева также задаются параметры шпоночного паза: его ширина bш h9 и глубина d + t2. Вновь подчеркнем, что данная последовательность получения 3D модели соответствует порядку механической обработки полумуфты в традиционной технологии ее производства. Механическая обработка заготовки на данном этапе включает сверление отверстия, расточку свободного отверстия d1, черновую и чистовую расточку отверстия dв h7 и протяжку шпоночного паза при базировании заготовки по ее черновой поверхности.
Третья операция предназначена для профилирования наружной поверхности модели полумуфты. Она может быть произведена путем вычитания из формы заготовки втулки, которая для наглядности помечена на эскизе штриховкой (операция 1.3 в табл. 3.1). Параметризация втулки производится по размерам, обозначенным на эскизе. При вычитании втулки получают посадочную поверхность под подшипник скольжения и поверхность под шлицы диаметром d2 P7 с длиной L1 – L2. На участке длиной L2 располагается поверхность под резьбу и проточка для выхода режущего инструмента при образовании резьбы. Механическая обработка в технологическом процессе производства полумуфты на обсуждаемом этапе формообразования 3D модели представляет собой удаление с полученной в предыдущей операции заготовки объема виртуальной втулки, заштрихованной на эскизе 1.3, табл. 3.1. Для подобной обработки традиционно предусматриваются токарные операции с фиксированием заготовки полумуфты на шпоночной (шлицевой, фрикционной) оправке.
Операция 1.4 предназначена для образования наружной шлицевой поверхности диаметром d2 P7, которая с целью краткости изложения материала соединена с операцией выдавливания паза под лапку стопорной шайбы и переходного участка с выходом фрезы при нарезании шлиц. Поверхность шлиц может быть выполнена путем выдавливания эскиза профиля шлица на поверхности вала (операция 1.4 в табл. 3.1) длиной Lш. Параметры эскиза подбираются по ГОСТ 1139 – 80 в соответствии с диаметром d2 P7 заготовки, на которой необходимо нарезать шлицы. Паз под лапку стопорной шайбы получают также выдавливанием. Эскиз этой операции расположен справа. Глубина hп и ширина bп паза, относящиеся к свободным размерам, определяются по параметрам лапки шайбы (ГОСТ 11872 – 80). Выдавливание производится на длине Lп. Формообразование участка выхода фрезы для нарезания шлиц может быть выполнено путем выдавливания на боковой поверхности втулки эскиза с формами и размерами фрезы, заглубленной на высоту шлиц.
Табл. 3.1. Последовательность операций получения 3D модели
деталей кулачковой предохранительной муфты
|
Операции получения модели, эскизы и их параметры |
Последовательное изменение 3D модели в процессе ее построения |
|
1 |
2 |
|
|
|
1.1. Образование заготовки Операция «вращение» Параметры: Rн = dн/2; L |
|
|
1.2. Образование отверстий (слева со шпоночным или шлицевым пазом) Операция «вырезать выдавливанием» Параметры: dв H7; d1; d + t2; bш h9; lп ; l1 |
|
|
1.3. Образование наружной поверхности полумуфты Операция «вырезать вращением» Параметры: d2P7; M; dg; L1; L2; g1 ; g2; |
Продолжение табл. 3.1
|
1 |
2 |
|
1.4. Образование шлиц, паза под лапку шайбы и участка выхода фрезы Операция «вырезать выдавливанием» Параметры: d-z x d x D x b; bn ; Lш; Ln,; h n; z; Rф; h |
|
|
Образование резьбы Параметры: М(обозначение резьбы); α= 600; Р = 2 |
|
|
2. Моделирование кулачковой подвижной втулки |
|
|
2.1. Получение заготовки втулки Операция «вращение» Параметры: Rн=dн/2 L |
|
|
2.2. Образование первичной формы кулачков Операция «вырезать выдавливанием» Параметры: dk; lk; hk; α = 120º |
|
Окончание табл. 3.1
|
1 |
2 |
|
2.3. Образование шлицевого отверстия и профилирование кулачков Операция «вырезать выдавливанием» Параметры: d-z x d x D x b αк=450 |
Операция 1.5 заключается в нарезании резьбы на втулке под гайки. Она выполняется путем кинематического вырезания профиля резьбы по спирали с шагом, равным шагу резьбы p. Параметры резьбы подбираются по диаметру втулки в соответствии с ГОСТ 16093 – 81.
3.2.2. Моделирование кулачковой подвижной втулки
Первая операция заключается в получении заготовки. В качестве заготовки для втулки цилиндрической формы при небольших размерах, так же как и полумуфты, целесообразно выбрать круглый прокат (пруток) с отрезкой в размер по ее длине. В соответствии с этим образуем цилиндрическую заготовку методом вращения эскиза с размерами, равными радиусу RH и длине L (операция 2.1 в табл. 3.1).
Вторая операция заключается в выдавливании кулачков полумуфты (операция 2.2 в табл. 3.1). Выдавливание производим на глубину hk, равную высоте кулачка. Эскиз для образования первичной формы кулачков с целью наглядности заштрихован. Ширина каждого кулачка lk соответствует ширине основания кулачка. Таким образом, мы получим заготовку с прямоугольными кулачками. Сверху и снизу кулачек ограничен наружным диаметром полумуфты dн и диаметром dк.
Третья операция вновь в целях краткости изложения материала объединяет две позиции образования 3D модели. Первая из них – образование шлицевого отверстия в теле втулки, которое можно получить выдавливанием. Для этого на торцевой поверхности заготовки создаем эскиз с параметрами шлицевого отверстия – наружный и внутренний диаметры, число шлиц и их ширина (операция 2.3 в табл. 3.1). Второй позицией выполняем скосы на поверхностях кулачков. Она производится с помощью операции фаска, единственным параметром которой является угол кулачка αк.
Описанный способ получения модели втулки приведен в качестве примера для иллюстрации отсутствия согласованности процесса получения модели с порядком традиционного технологического процесса изготовления втулки. Для проведения операции 2.2 формообразования кулачков действительно возможно использование операции фрезерования. Однако базирование в этом случае возможно лишь по наружной черновой поверхности, исключающее точное центрирование рабочих поверхностей кулачков относительно оси отверстия, а также следует подчеркнуть сложность операции выборки материала подобной конфигурации. В этом случае сначала целесообразнее в операции 2.2 сделать цилиндрическую выточку в теле втулки диаметром dk (внутренним диаметром поверхности кулачков), глубиной равной высоте кулачков с учетом 2 – 3 мм для выхода режущего инструмента, а также выдавливание шлицевого отверстия (эскиз, как при операции 2.3 в табл. 3.1). На заключительной операции формообразования модели, как и в предыдущем случае осуществляется угловое профилирование кулачков.
Скорректированная последовательность построения 3D модели втулки будет полностью соответствовать традиционной технологии ее производства. Эта технология включает: отрезку заготовки от прутка, сверление отверстия под шлицы и его чистовую расточку, обработку выточки для образования кулачков, протяжку шлиц (производятся с черновой наружной поверхности), чистовую обработку наружной поверхности и фрезерование кулачков (с базированием втулки на шлицевой оправке). Подобное согласование операций образования 3D модели с технологическими операциями позволит проработку технологических требований в процессе проектирования объекта и представит возможность использования промежуточных позиций 3D моделей для описания маршрутного листа.
3.2.3 Моделирование полумуфты дисковой полужесткой муфты
Характерной особенностью рассматриваемой полумуфты по сравнению с изученной выше является трехлапчатая конструкция фланца, достаточно часто встречающегося в муфтах. Исследуем создание модели полумуфты, предусматривая использование в качестве ее заготовки отливки, при этом форма литейной модели отливки будет практически аналогична форме полумуфты и будет отличаться от нее наличием припусков на обработку. Указанное обстоятельство предоставляет возможность интегрирования этого этапа моделирования детали с созданием литейной модели. В качестве основания для построения модели полумуфты принят трехлапчатый фланец. Выдавливаем фланец (операция 1.1 в табл. 3.2) с заданными геометрическими параметрами полумуфты, которые могут быть получены автоматически из упомянутой выше БД «Геометрические параметры элементов муфты». Эти параметры для каждого эскиза указаны в таблице 3.2. Выдавливаем цилиндрическую ступицу полумуфты (операция 1.2 в табл. 3.2), присоединяем ее к трехлапчатому фланцу и проводим скругление перехода от первого ко второму элементу. Скругление перехода (образование галтели) является самостоятельной безэскизной операцией моделирования, но для сокращения объема таблицы оно представлено в совмещенной форме. Параметры обеих операций представлены также в таблице 3.2.
Три проведенные операции моделирования заканчивают процесс формообразования заготовки детали, которая, как отмечено выше, с добавлением припусков, литейных уклонов и радиусов превращается в литейную модель. Дальнейшее моделирование полумуфты включает операцию образования отверстия со шпоночным пазом, получаемого вырезанием методом выдавливания (операция 2.1 в табл. 3.2). В таблице, как и в предыдущем случае, эта операция объединена с безэскизным образованием фасок ступицы. Параметры указанных действий приведены в таблице.
Операция 2.2 предусматривает образование отверстий под болты, получаемые методом вырезания выдавливанием. Данная операция также с целью сокращения объединена с безэскизным процессом получения фасок.
Как и для описанной выше полумуфты муфты кулачковой создание 3Д модели проведено с учетом технологии ее изготовления. Посадочное шпоночное отверстие можно производить полностью аналогично с полумуфтой кулачковой.
Табл. 3.2. Последовательность операций получения 3D модели полумуфты полужёсткой дисковой муфты
|
Операции получения модели, эскизы их параметры |
Последовательное изменение 3D модели в процессе её построения |
|
1. Получение «заготовки» |
|
|
1 |
2 |
|
1.1. Образование фланца Операция «выдавливание» Параметры: D1; P; R; α |
|
|
1.2. Образование ступицы и скругление перехода Операция «выдавливание» Параметры: D2; (l-l1); l Операция «скругление» Параметр – r (безэскизная операция) |
|
|
2. Преобразования заготовки |
|
|
2.1. Образование посадочного отверстия со шпоночным пазом и фасками Операция «вырезать выдавливанием» Параметры: d, l, b, R, (d+t2) Операция «фаска» Параметры: фаска 1x450 (3 фаски) (безэскизная операция) |
|
Продолжение табл. 3.2
|
1 |
2 |
|
2.2. Образование отверстий под болты с фасками Операция «вырезать выдавливанием» Параметры: d1; D2 Операция «фаска» Параметры: фаска 1x450 (3 фаски) (безэскизная операция) |
Высокая допустимая частота вращения рассматриваемых муфт (12000…3700 об/мин) предполагает обработку всех поверхностей отливки. Наружные цилиндрические поверхности и торцы фланца могут быть обработаны с помощью токарных операций при базировании полумуфты на шпоночной оправке по чистовой поверхности. С той же базы с дополнительным использованием одного из торцов фрезерованием производят обработку боковых поверхностей лап, выдерживая размер P. Также фрезерованием обрабатываются круговые выборки радиусом R для размещения крепежных деталей (пальцев с гайками и шайбами сопряженной полумуфты).
Тематика самостоятельных опытно-конструкторских
и научно-исследовательских разработок
1. Создание методики и построения трехмерных твердотельных моделей разнообразных муфт и их деталей с учетом технологии их производства и сборки в единый узел.
2. Создание библиотеки твердотельных моделей типовых деталей муфт.
3. Разработка элементов программного обеспечения параметрического описания деталей полумуфт.
Раздел 4. Силовой и прочностной анализ муфт.
Проверочные и проектные расчеты элементов муфт
Практическое занятие. Курсовое проектирование
Цель занятия – освоение методики силового анализа элементов муфт, установление их работоспособности и методов расчетов.
Задачи работы:
1. Изучение силового анализа элементов типовых конструкций муфт.
2. Проведение анализа элементов муфт с позиций критериев их работоспособности.
3. Освоение принципов разработки методов расчета основных элементов муфт по выделенным критериям работоспособности и вычленение слабых звеньев изучаемых устройств.
4.1. Общие положения силового анализа и расчета муфт
В случае подбора серийных муфт заранее известны их слабые звенья, критерии работоспособности и значение допускаемого номинального крутящего момента [], приводимого в каталогах изучаемых устройств, при котором обеспечивается работоспособность наиболее слабых звеньев в течение планируемого срока службы. Расчет муфт в подобных ситуациях заключается в проверке условия (см. раздел 2).
Проектирование типовых конструкций с размерами, выходящими за рамки типоразмерного ряда серийных муфт, а также новых их конструкций требует проведения силового анализа и расчетов силовых элементов по соответствующим критериям работоспособности. Широкий набор муфт, разнообразных по принципу действия, обусловливает различные подходы к их силовому анализу и методам расчета. Ниже рассмотрены примеры отмеченных операций для нескольких типовых конструкций, которые позволят обучающимся самостоятельное решение подобных вопросов применительно к заданным в курсовых проектах муфтам. Указанные операции решаются в следующей последовательности:
1) устанавливают силовую цепь муфты, то есть последовательность деталей и их элементов, по которым передается крутящий момент;
2) выясняют нагрузку (крутящий, изгибающий моменты; тангенциальные, радиальные и тому подобные силы) на каждом из силовых элементов и производят ее вычисление;
3) устанавливают наиболее вероятные отказы и соответствующие им критерии работоспособности и записывают математические модели, обеспечивающие работоспособность деталей и их элементов;
4) проводят проектные и проверочные расчеты силовых элементов муфт и устанавливают слабые звенья.
Из общих положений силового анализа также следует выделить следующее. Его исходными данными являются расчетный момент и геометрические параметры муфты. Из этого следует, что уточненный силовой анализ может быть выполнен лишь на стадии проверочных расчетов, когда геометрия обсуждаемого объекта определена. В качестве расчетного момента обычно принимают , где за принимают номинальный (максимальный длительно действующий) момент, а коэффициент режима работы механизма, машины устанавливают по рекомендациям [1, табл. 1.2].
Применительно ко всем типам муфт общими силовыми звеньями являются полумуфты с соответствующими соединениями «вал – ступица» и звенья, передающие крутящий момент с ведущей полумуфты на ведомую. Силовой анализ этих общих элементов муфт более подробно рассмотрим на примере фланцевой муфты (рис. 4.1). Параллельно с силовым анализом установим для элементов выделенной муфты критерии работоспособности и математические модели их расчетов, которые по аналогии могут быть использованы в разнообразных рассматриваемых сборочных единицах.
Рис. 4.1. Силовой и прочностной анализ муфты фланцевой:
а – конструкция муфты с болтами (вариант 1 – болты поставлены без зазора,
вариант 2 – болты поставлены с зазором); б – расчетная схема шпонки;
в – расчетная схема болтов, поставленных без зазора;
г– расчетная схема болтов, поставленных с зазором
4.1.1. Силовой анализ и проверочные расчеты полумуфт
на примере муфты фланцевой
Ведущая и ведомая полумуфты с помощью шпоночного (шлицевого и т.д) соединения нагружаются крутящим моментом. Можно принять равномерное увеличение момента по длине ступицы, как это показано на эпюре Т, и полагать, что к месту перехода втулки во фланец (сечение 1-1) момент будет полностью переведен с вала на полумуфту или наоборот (см. эпюру Т на рис. 4.1 а). Очевидным критерием работоспособности полумуфт будет крутильная прочность, математическую модель условия соблюдения которого можно записать как
или , (4.1)
где – полярный момент сопротивления втулки полумуфты в принятом опасном сечении 1-1;
– допускаемые напряжения кручения;
– диаметр посадочного отверстия и вала соответственно;
– наружный диаметр ступицы.
Полярный момент сопротивления втулки полумуфты в сечении 1-1 в ориентировочных расчетах обычно определяют без учета шпоночного паза.
Силовым элементом полумуфты также является рабочая поверхность шпоночного паза. Его боковая поверхность нагружена тангенциальной силой (рис.4.1 б), которая определяется из условия равновесия шпонки на валу или в ступице
(4.2)
В качестве плеча силы без заметной погрешности принимают радиус посадочного отверстия d/2. Сила реализуется как равнодействующая давления по боковой поверхности шпоночного паза. На рис. 4.1 б показаны фактическая (сверху) и условно принимаемая в расчетах (снизу) эпюры распределения силы давления по высоте рабочей боковой поверхности паза. Природа фактического распределения обусловлена снижением деформаций волокон паза с удалением их от оси поворота шпонки относительно паза при нагружении. Эпюра распределения силы по длине паза считается равномерной. Сила приводит к смятию рабочих участков боковых поверхностей шпонки и пазов вала и ступицы, а также к срезу шпонки по сечению, обозначенному на рис. 4.1 б. С позиций работоспособности полумуфты необходимо устранить опасность смятия опорной поверхности паза. Условие обеспечения работоспособности в случае применения, к примеру, призматической шпонки имеет вид
, (4.3)
где – площадь смятия;
– расчетная длина шпонки;
h – высота шпонки;
– глубина паза на валу;
допускаемые напряжения принимают по материалу полумуфты.
4.1.2. Силовой анализ и проверочные расчеты соединительных элементов
на примере муфт фланцевых
Звенья, соединяющие ведущую и ведомую полумуфты. Первичные операции силового анализа соединительных звеньев многих муфт также во многом однотипны. Заметим, что первоначально силовой анализ проводится для установившегося движения и в его основе лежат условия равновесия в статике. Муфта в целом находится в равновесии относительно оси вращения под действием момента движущего Tрд, приложенного к ведущей полумуфте и момента сопротивления движению Tрс на ведомой полумуфте. Условие равновесия муфты () имеет вид Tрд-Трс=0, откуда вытекает Tрд=Трс=Тр. Каждая из полумуфт также находиться в равновесии. Равновесное состояние ведущей полумуфты поддерживается моментом Tрд и суммарным моментом сил Ft1c () на Z болтах, участвующих в передаче нагрузки. Сила Ft1c приложена к болту со стороны ведомой полумуфты в месте их контакта. Равновесие ведомой полумуфты обеспечивается суммарным моментом движущей силы Ft1д () и момента сопротивления Трс. Уравнение равновесия полумуфт
; . (4.4)
Равенство Tрд и Tрс обусловливает равенство сил Ft1д и Ft1c.
С учетом погрешностей изготовления деталей полумуфт (отклонения в радиусе расположения силовых элементов, угловом шаге болтов и т.п.) силы не являются равными, что можно учесть коэффициентом неравномерности . Тогда решение (4.4) относительно принимает вид
(4.5)
Коэффициент в случае отсутствия иных значений можно принимать равным 1,1…1,3. При назначении Zб в стандартной муфте фланцевой подставляют не общее их число, а только число болтов, поставленных без зазора, которые обычно устанавливаются через один с болтами с зазором. Последние в расчетах принято не учитывать, так же как и момент трения в стыке полумуфт (затяжка болтов не предусматривается).
Как отмечалось в лабораторном занятии (см. подраздел 1.3.1.1) болты, соединяющие фланцы муфты, могут выполнять как функции крепления полумуфт и их центрирования, так и чисто крепежные задачи. В первом случае они устанавливаются без зазора, а во втором – с зазором. Это обстоятельство существенно сказывается и на силовом анализе болтов и на оценке их работоспособности.
Расчетные модели прочностного анализа болтов, установленных без зазора. В случае установки болтов без зазора их тела (на участке установки с натягом диаметром ) препятствуют повороту полумуфт относительно друг друга под действием момента своим сопротивлением деформациям сдвига и смятия (рис. 4.1 в). Таким образом, в данном расчетном случае к критериям работоспособности болтов следует отнести их прочность на срез
или (4.6)
и на смятие
или , (4.7)
где , – площади среза и смятия соответственно;
, – допускаемые напряжения среза и смятия;
h2 – минимальная длина участка тела болта, контактирующего с полумуфтой (на рис. 4.1 она увеличена для четкости изображения, а на самом деле она принимается меньше толщины фланца h1 на 1 – 1,5 мм).
Определение площади площадок среза и смятия одного болта иллюстрирует рис. 4.1 в. Очевидно, площадка среза представляет собой круг, а площадка смятия – полуцилиндр. В расчетах полагают равномерное распределение напряжений среза по сечению, что и отражено в зависимости (4.6). Фактическое распределение в поперечном сечении имеет сложный вид (см. реальную эпюру на рис.4.1 в). Максимальные и, следовательно, наиболее опасные напряжения имеют место в плоскости действия в силу наибольшей здесь деформации. Для оценки прибегают к простому приему – сокращают фактическую площадь смятия (площадь полуцилиндра ) до проекции этой площади на диаметральную плоскость . В этом случае средние напряжения весьма близки на фактической эпюре.
Сформулированные модели для болтов фланцевого соединения, установленных без зазора, могут быть применены при проектировании разнообразных муфт с использованием жестких фланцев, которые предназначаются для передачи крутящего момента. Здесь можно назвать различные модификации зубчатых муфт (см. рис. 1.8), муфты с радиальными пакетами плоских пружин (см. рис. 1.20) и тому подобные в случае, если планируется использование фланцевых соединений с болтами без зазора.
Расчетные модели прочностного анализа болтов, полностью установленных с зазором. Если болты установлены с зазором, то их тело не сопротивляется повороту полумуфт относительно друг друга в пределах зазора между стенкой отверстия и телом болта. Это обстоятельство исключает нормальные условия эксплуатации муфты (дополнительный изгиб болта, относительные повороты полумуфт при реверсе, дополнительные динамические нагрузки и т.п.). Исключение относительного поворота полумуфт в подобных конструкциях достигается за счет организации момента трения Тfr на поверхности стыка фланцев, отвечающего условию
. (4.8)
Выражение (4.8) является условием обеспечения работоспособности фланцевого соединения с болтами, установленными с зазором. Для оптимального обеспечения этого условия (Тр = Тfr ) на основе расчетной схемы рис. 4.1 г оно может быть записано как
, (4.9)
где – равнодействующая сил трения, распределенных по контактирующим поверхностям фланцев (в дальнейшем для краткости – просто сила трения);
– нормальная сила прижатия контактирующих поверхностей, необходимая для создания требующейся силы трения;
– коэффициент трения;
– радиус приложения силы трения.
С целью придания выражению (4.9) универсальной формы и возможности его использования для других типов муфт (например, различных фрикционных) введем в это уравнение число поверхностей трения , учитывая прямо пропорциональную зависимость момента трения от . Поверхность трения образуется парой контактирующих поверхностей, стремящихся к сдвигу относительно друг друга. Очевидно, что для фланцевой муфты такая пара является единственной (=1). При этом (4.9) в универсальном виде запишется как
. (4.10)
Распределение силы трения по контактирующим поверхностям и, следовательно, радиус, на котором следует приложить , определяются законом распределения по ним удельных давлений q. Распределение последних зависит от способа приложения силы, параллельности трущихся поверхностей, качества их обработки, жесткости дисков и т.д. С позиций обеспечения равномерной нагрузки элементов муфт предпринимают все конструктивные приемы выравнивания q. В рассматриваемой фланцевой муфте это требование достигается количеством болтов и соответствующей жесткостью фланцев (главным образом, их толщиной). В случае равномерного распределения q, следовательно, и сил трения по всей поверхности фланцев, равнодействующая смещается к их периферии. С физических позиций она будет расположена на радиусе окружности, делящей поверхность трения на два равновеликих по площади кольца. При построении расчетной модели определения можно поступить так. На сопряженнной поверхности фланцев с наружным и внутренним диаметрами выделим на радиусе кольцо элементарной толщины . Момент трения на нем при сдавливании постоянным удельным давлением определится по очевидной зависимости
, (4.11)
где – сила трения на выделенном элементарном кольце.
Если учесть, что площадь элементарного кольца , и вновь с целью универсализации расчетной зависимости ввести количество поверхностей трения , окончательно получим
. (4.12)
После интегрирования (4.12) получим выражение для оценки полного момента трения на поверхности фланцев
. (4.13)
С учетом того, что в качестве нормальной к поверхности трения силы выступает сила затяжки болтов (Fn=Fзат) и удельные давления , момент трения окончательно определится по зависимости
. (4.14)
Из сравнения правой части уравнений (4.10) и (4.13) очевидно, что
. (4.15)
Условие обеспечения работоспособности муфты в целом при установке болтов с зазором (4.8) в оптимальном варианте позволяет вычислить требуемую суммарную силу затяжки установленных болтов:
. (4.16)
Очевидно, что сила затяжки болтов сжимает фланцы, а сила их упругого сопротивления сжатию будет растягивать болты. Напряжения растяжения в болте, принимая равномерной нагрузку , будет
, (4.17)
где – сила затяжки одного болта;
– площадь опасного сечения болта, вычисляемая по внутреннему диаметру резьбы .
Для обеспечения при сборке муфты необходимо завернуть резьбовое соединение ключом или гайковертом моментом . Часть этого момента , характеризующая сопротивление завинчиванию в резьбе, будет скручивать тело болта (оставшаяся часть момента ключа приложена к торцу гайки и опорной поверхности фланца и в скручивании болта участия не принимает). Напряжения кручения при этом в соответствии (4.1) запишем как
. (4.18)
Таким образом, болты во втором варианте имеют сложное нагружение, при котором их прочность оценивается по зквивалентным напряжениям. Для болтов обычно при вычислении используют энергетическую теорию прочности
. (4.19)
При в стандартных крепежных резьбах и контролируемой затяжке болтов подкоренное выражение можно принять равным 1,3. Тогда условие прочности болта примет вид
. (4.20)
Допускаемые напряжения принимают в соответствии с выбранными материалами болтов и характерными особенностями болтового соединения и его нагружения [4, с. 55 – 60].
4.1.3. Проектные расчеты элементов муфт на примере
муфты фланцевой
Условия работоспособности элементов муфты (4.1), (4.3), (4.6), (4.7) и (4.20) имеют форму проверочных расчетов, для реализации которых необходимо иметь как сведения о нагрузке этих элементов, так и их геометрические параметры. Как известно, эти зависимости могут быть преобразованы в проектные расчеты.
1. Определение размеров полумуфт. Диаметр и длину посадочного отверстия полумуфты обычно назначают по размерам концевика вала, конструирование которого предшествует созданию муфты.
Наружный диаметр ступицы также может быть определен из условия оптимального обеспечения крутильной прочности (4.1), которое представим в виде
. (4.21)
В этом выражении допускаемые напряжения устанавливают в соответствии с выбранным материалом полумуфты. Записанное уравнение можно решить относительно неизвестного наружного диаметра ступицы
. (4.22)
Применительно к полумуфтам, изготовленным из стали, и при использовании переходных посадок в проектном виде широко используется упрощенная зависимость .
Длина ступицы также может быть определена расчетным путем по соответствующему критерию работоспособности. В качестве такого критерия выступает прочность поверхности шпоночного паза по напряжениям смятия (4.3). Указанная зависимость может быть представлена в проектном виде относительно требуемой расчетной длины шпонки
. (4.23)
Полученная расчетная длина шпонки корректируется в соответствии с ее конструктивными особенностями и округляется до стандартного значения. Длина ступицы полумуфт обычно увеличивается по сравнению с длиной шпонки на 5…10 мм. Однако при назначении следует принять во внимание, что прочность шпоночного паза не является единственным требованием к длине ступицы. Другим важным требованием к этому параметру полумуфт является исключение перекоса их на валу. В соответствии с ним для стальных полумуфт рекомендуют принимать при посадках с натягом, в случае использования посадок переходных, при посадках с зазором.
Другим важным размером полумуфт, влияющим на силовые параметры и работоспособность муфт, является диаметр Dc, на котором располагаются силовые элементы, передающие крутящий момент с одной полумуфты к другой. Величина Dc связана с такими первично неизвестными при проектировании, как размеры силовых элементов и их количество. По этой причине определение параметров проводят в итерационном режиме: сначала назначают Dc ориентировочно на основе анализа аналогичных конструкций, к примеру, для серийных фланцевых муфт в предусмотренных стандартом типоразмерных рядах Dс=(3…1,8)dо. Затем проверяют полученную величину с позиций удовлетворения поставленным требованиям.
2. Определение размеров элементов, соединяющих полумуфты. Во фланцевой муфте таким единственным элементом являются болты, которые могут устанавливаться в соответствии со сказанным выше без зазора либо с зазором.
При установке болтов без зазора критерии их работоспособности (4.6) и (4.7) с учетом (4.5) могут быть записаны соответственно в виде
; (4.24)
. (4.25)
Решим каждое из этих уравнений относительно требуемого диаметра тела болта:
; (4.26)
. (4.27)
Каждая из этих проектных формул имеет количество неизвестных более одного, поэтому, как и в предыдущих задачах, используют их в итерационном режиме. К примеру, в уравнении (4.26) зададимся , а в (4.27) –. Для ориентировочной оценки неизвестных параметров, входящих в эти формулы, первоначально можно ориентироваться на усредненные их значения серийных однотипных муфт, рекомендации справочной литературы, индивидуальные конструктивные требования к проектируемой муфте и т.д. В качестве примера индивидуальных требований можно назвать размещение ее в составе сборочной единицы более высокого иерархического уровня.
Для дальнейших проектных операций принимают большее из и значений, так как оно соответствует более значимому критерию работоспособности. Вычисленный диаметр тела болта округляют до необходимого значения в соответствии с технологическими требованиями (к примеру, до диаметра стандартной развертки, с помощью которой планируется обработка отверстий под болты). Округление обычно производят в большую сторону, то есть в сторону увеличения запаса прочности. Однако возможно округление до ближайшего меньшего значения, если величина перегрузки при этом не превосходит (3…5)%. Далее назначают стандартный номинальный диаметр резьбового участка, принимая его размером ближайшим меньшим по сравнению с с целью исключения повреждения резьбы при сборке. Для болтов, которые в рассматриваемых конструкциях муфт устанавливаются с зазором, с целью унификации шайб и гаек назначают тот же номинальный диаметр резьбы.
При установке болтов с зазором условие их прочности (4.20) с учетом (4.16) и (4.17) может быть записано так:
.
После подстановки и решения уравнения относительно внутреннего диаметра резьбы получим
. (4.28)
Для решения этого уравнения предварительно необходимо установить материал полумуфт, назначить чистоту обработки сопряженных поверхностей фланцев и соответствующее им значение коэффициента трения, принять материал болтов и определить допускаемые напряжения , ориентировочно задаться числом болтов и радиусом трения . В дальнейшем в режиме итераций стремятся удовлетворить поставленным требованиям. После этого подбирают номинальный диаметр болта с внутренним диаметром резьбы примерно соответствующему вычисленному значению . Напомним, что округление в меньшую сторону допустимо в пределах перегрузки, не превышающей (3…5)%.
4.1.4. Методы определения допустимого крутящего момента
для подбора серийных муфт
Как отмечалось выше, при подборе серийных муфт учитывают значительное количество факторов, среди которых важнейшим является требование . Записанное условие является требованием обеспечения работоспособности муфт в целом. В большинстве случаев она определяется слабым элементом узла, поскольку условие равнопрочности не всегда достижимо. Выявление слабого элемента применительно к муфтам с теоретических позиций может быть установлено путем сравнения допускаемых моментов, вычисленных по всем критериям работоспособности силовых элементов обсуждаемого узла. Естественно, что слабым звеном будет элемент, имеющий минимальное значением [Тном] по какому-либо из выделенных критериев работоспособности.
Применительно к фланцевой муфте с установкой болтов без зазора значение допустимого момента следует определять из условий (4.1), (4.6) и (4.7). Выполним эту операцию, к примеру, для условия (4.1). Выражение (4.1) при получении проектной зависимости было приведено к виду (4.21), которое несложно решить относительно момента для установленных типоразмеров серийных фланцевых муфт. При этом в случае равенства расчетный момент приобретет значение допустимого. Таким образом,
. (4.29)
Формулу для определения допустимого момента из условия прочности болтов на срез (4.6) получим с учетом его преобразованной формы (4.24), а из условия прочности на смятие (4.7) – с учетом (4.25):
; (4.30)
. (4.31)
Заключительной операцией определения допустимого момента для серийной фланцевой муфты с установкой болтов без зазора будет сравнение полученных значений и определение минимального из них:
. (4.32)
Минимальные значения [Tном] вычисляются для каждого типоразмера серийных муфт, именно их помещают в техническую характеристику обсуждаемого изделия, и его сравнивают с расчетным моментом, естественно, обеспечивая работоспособность менее слабых силовых элементов муфты.
4.2. Силовой и прочностной анализ, расчет упругих муфт
Передача крутящего момента сопровождается формированием окружной (тангенциальной) силы , которая в зависимости от конструктивных особенностей муфт приводит к различным деформациям упругих элементов, включая растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб и разнообразные их комбинации. Для всех силовых звеньев рассматриваемых устройств неизменным первичным критерием работоспособности является прочность по соответствующим деформациям. Другим важнейшим критерием муфт упругих является жесткость, которая обеспечивает такие функциональные требования как уровень дополнительных динамических нагрузок, исключение явления резонанса. Однако вопросы расчетов упругих муфт по критерию жесткости выходит за рамки настоящего пособия.
4.2.1. Пример анализа и расчета муфты упругой втулочно-пальцевой
Силовая цепь муфты упругой втулочно-пальцевой – МУВП (рис. 4.2) включает полумуфты 1 и 4, пальцы 2, жестко связанные с полумуфтой 1 посредством конусных соединении, резиновые втулки 3, насаженные на пальцы. Пальцы с резиновыми втулками входят в соответствующие отверстия полумуфты 2.
Полумуфта 1 передает крутящий момент с вала на пальцы, при этом каждое ее сечение, перпендикулярное оси, нагружается нарастающим слева направо моментом за счет постепенной передачи его при помощи шпонки с вала на полумуфту, как это было показано на примере фланцевой муфты (см. эпюру Т на рис. 4.1 а). В аналогичных условиях работает и полумуфта 4. Очевидными критериями работоспособности полумуфт будет крутильная прочность ступицы (4.1) и прочность рабочих поверхностей шпоночного паза (4.3), из которых получают проектные зависимости для определения размеров ступицы (4.22), (4.23). Диаметр окружности , на которой размещаются пальцы, устанавливается из конструктивных соображений, обеспечивающих размещение нужного количества гнезд полумуфты 4 под упругие втулки. Для стандартных МУВП принимается , при этом большие значения характерны для валов малого диаметра.
При передаче крутящего момента с полумуфты на пальцы движущий момент уравновешивается моментом сил (рис. 4.2 б), которые нагружают пальцы и резиновые втулки. Значение определяется из условия равновесия полумуфты и по аналогии с фланцевой муфтой может быть определено в соответствии с (4.5) (более подробно см. подраздел 4.1.2 ).
Передача нагрузки c пальца на резиновые втулки реализуется в виде определенным образом распределенной по длине площади контакта пальца с втулкой удельной нагрузки . Закономерность распределения нагрузки зависит от большого количества факторов (соосности валов, точности изготовления пальцев, втулок, отверстий в полумуфтах и т.д.). Например, при строгой соосности соединяемых валов и высокой точности изготовления всех деталей муфты следует ожидать равномерное распределение удельной нагрузки по длине пальца, а ее равнодействующую можно приложить посредине площадки контакта (рис. 4.2 в, слева). При угловом смещении валов возможный вариант распределения показан на рис. 4.2 в (справа).
Рис. 4.2. Расчетная модель силового и прочностного анализа МУВП:
а – конструкция муфты; б, в – варианты нагружения пальца;
г – вариант эпюры изгибающих моментов Ми пальца; д –эпюры напряжений
В этом случае равнодействующую следует приложить, как известно, на расстоянии . Смещение к концу пальца усложняет условия работы пальцев и втулок. При формировании расчетной модели посадку пальца на конус в полумуфте считают жесткой заделкой, а сам палец условно относят к жестко защемленной балке. Силу обычно прикладывают на конце балки (рис. 4.2 г), что идет в запас прочности пальца по сравнению с фактическим возможным местом ее приложения. Закономерность изменения изгибающего момента по длине пальца показана на том же рисунке. Эпюра изгибающего момента и конструкция пальца однозначно указывают на положение его опасного сечения в месте защемления.
Очевидным критерием работоспособности пальца будет изгибная прочность, математическая модель которого имеет вид
или , (4.40)
где – изгибающий момент в опасном сечении, то есть в месте заделки;
– осевой момент сопротивления опасного сечения пальца в месте заделки, который для круглого сечения .
Для проектирования пальцев муфты условие их работоспособности при можно преобразовать в проектную формулу
. (4.41)
Как всегда при проектных расчетах предварительно следует задаться неизвестными: числом пальцев, их длиной, диаметром, на котором они расположены, и методом последовательных приближений установить удовлетворяющие проектировщика результаты (подробнее см. подраздел 4.1.3 ).
Основным критерием работоспособности резиновых втулок является их прочность на смятие силой в месте контакта втулок с пальцами (напряжения смятия в месте контакта втулок с полумуфтой менее опасны по причине большей площади контакта). В расчетной модели втулки обычно принимают равномерное распределение по длине контакта втулки с пальцем. В поперечном сечении максимальные напряжения смятия будут иметь место в плоскости действия (рис. 4.2,д). Однако, как было сформулировано в 4.1.2, принимают напряжения смятия по поперечному сечению равномерно-распределенными, условно снижая фактическую площадь смятия до ее проекции на диаметральную плоскость. Величина средних значений напряжений смятия при этом весьма близка реальным напряжениям . Таким образом, критерий прочности втулок по напряжениям смятия может быть записан в виде (4.7), который для рассматриваемой муфты запишем так:
. (4.42)
Допускаемые напряжения смятия для резиновых втулок обычно принимают (1…2) мПа.
Для проектных расчетов условие (4.42) при оптимальном соотношении можно решать относительно требуемой длины втулки
. (4.43)
На заключительном этапе из всех силовых элементов проектируемой муфты устанавливают ее наиболее слабые звенья. Например, для типовых конструкций МУВП слабыми элементами являются пальцы и резиновые втулки. При отсутствии опыта в определении слабых звеньев целесообразно просчитать все силовые элементы муфты по наиболее вероятным критериям работоспособности. Уровень определяющего параметра, регламентируемого тем или иным критерием работоспособности (например, уровень рабочих напряжений в критерии прочности или деформаций – в критерии жесткости) дает возможность, с одной стороны, выявить слабый элемент, а с другой – выяснить малонагруженные элементы муфты и установить пути их совершенствования.
Проектные формулы (4.41) и (4.43) по аналогии с расчетом фланцевой муфты могут быть преобразованы в зависимости для определения номинальных допустимых моментов [Tном]и и [Тном]см, минимальное значение из которых помещают в технические характеристики серийных муфт (см. подраздел 4.1.4).
4.2.2. Силовой и прочностной анализ оболочковых муфт
на примере муфты с выпуклой оболочкой (см. рис. 1.15)
Неизменным силовым элементом оболочковых муфт, помимо полумуфт, являются разнообразные по конструкции оболочки (выпуклые, вогнутые, составные и т.п.) и болтовые фланцевые соединения. Болтовые соединения предназначены для передачи расчетного крутящего момента с полумуфт на оболочку и наоборот. При этом сила затяжки болтов обеспечивает создание силы трения на поверхностях контакта упругого элемента с полумуфтой, которая на соответствующем радиусе трения образует момент трения (рис. 4.3, разрез Б-Б). Расчетные модели и математические зависимости для определения , , рассмотрены на примере фланцевой муфты (см. подраздел 4.1.2). Здесь обратим внимание на расчетное значение количества поверхностей трения . Формально борт оболочки в данной конструкции зажат с двух сторон, однако в расчете принимают , так как зажимные диски не имеют жесткой связи с полумуфтами.
Очевидно, что упругая оболочка подвержена кручению, крутильному сдвигу и сжатию её бортов (рис. 4.3). С позиций кручения можно подвергнуть проверке прочности любые сечения, находящиеся справа и слева вблизи поперечного сечения А-А, в пределах которых толщина оболочки и радиус их расположения от оси вращения практически остаются неизменными. На более удаленных от А-А сечениях толщина оболочки увеличивается за счет перехода к борту, опасность её разрушения снижается. По этой причине прочность оболочки по кручению обычно проверяется по сечению А-А. Математическая модель этого условия (4.1) в оптимуме может быть записана в проверочной форме так:
. (4.44)
Рис. 4.3. Расчетная модель силового и прочностного анализа муфты оболочковой
При преобразовании в проектную зависимость уравнения (4.44) оно решается относительно одного из неизвестных геометрических параметров, к примеру, наружного диаметра оболочки
. (4.45)
Естественно, как во всякой проектной зависимости для её решения придется предварительно задаться имеющими место неизвестными. В данном случае внутренним диаметром оболочки Формулой (4.45) удобно воспользоваться, если, к примеру, в оболочку встраивается дополнительный механизм с заданным внешним диаметральным габаритом D. Тогда с учетом необходимого зазора задают . Если же требуется разместить муфту в ограниченном пространстве, то первоначально целесообразно задаться внешним диаметром оболочки, из уравнения (4.44) установить внутренний диаметр :
. (4.46)
Условие прочности по крутильному сдвигу по площади поверхности цилиндра радиуса Rн, обозначенного на рис. 4.3 волнистой линией:
. (4.47)
Тангенциальная сила , вызывающая сдвиг оболочки по цилиндрической поверхности в месте защемления борта оболочки между фланцами
(), показана на рис. 4.3 как движущая сила (по этой причине она направлена в соответствии с движущим моментом ). Если при проверке оболочки с размерами, ранее определенными из (4.45 ) или (4.46), условие крутильного сдвига не обеспечивается (), то (4. 47) можно привести к проектной форме с определением требующегося диаметра Dн. сд
. (4.48)
Очевидно, что в подобном случае полученные значения , следовательно, в рассматриваемой ситуации более важным критерием работоспособности является не прочность оболочки по кручению, а её прочность по крутильному сдвигу.
Из расчетной схемы (рис. 4.3) видно, что борта оболочки сжимаются силой затяжки . Часто в подобных случаях исключение разрушения детали достигается ограничением напряжений на границе контакта сжимаемых поверхностей . Рабочие напряжения смятия на поверхности кольцевой площадки, обозначенной на расчетной модели, полагают распределенными равномерно (см. эпюры ). Тогда условие работоспособности по напряжениям смятия примет вид
. (4.49)
4.3. Силовой и прочностной расчет предохранительных муфт
на примере муфты кулачковой
В силовую цепь рассматриваемой муфты входят полумуфта 1, втулка подшипника скольжения 2, опорный стакан пружин 7, регулировочная гайка 9, кулачковая подвижная в осевом направлении втулка 5, неподвижная кулачковая полумуфта 4 и пружины 6 (рис. 4.4) Силовой анализ лучше начать с рассмотрения сил в зацеплении кулачков (рис. 4.5). Формируя расчетную модель этого этапа, примем равномерное распределение удельных давлений (напряжений смятия) по поверхности контакта кулачков при передаче крутящего момента. Обычно без особой погрешности заменяют удельные давления на контактирующих поверхностях равнодействующей Fn, приложенной на среднем диаметре кулачков Dc ≈ (Dн + Dвн) / 2. Более полный подход к определению места приложения равнодействующей изложен в анализе фланцевой муфты. При передаче движущего момента Tрд с ведущего элемента на ведомый равновесие первого поддерживает тангенциальная сила сопротивления Ft1c, а на кулачок ведомого будет действовать движущая сила Ft1д = Ft1c = Ft1 (рис. 4.5 а). Значение Ft1, как отмечено выше, определяется из условия равновесия элементов муфты (4.5). Наклон силы Ft1 к рабочей поверхности кулачка под углом α обусловливает наличие нормальной к ней силы взаимодействия
(4.50)
и осевой (направленной параллельно оси) составляющей . Поскольку при работе муфты наблюдается относительное перемещение кулачков, то необходимо также учитывать силу трения Ffr, которая противодействует выталкиванию кулачков, снижая силу . Силу трения на наклонных поверхностях учитывают с помощью угла трения φ, вычитая или прибавляя его к углу наклона в зависимости от направления Ffr. В данном случае
. (4.51)
Рис. 4.4. Осевой разрез муфты и ее силовые элементы
Осевые силы, действующие на отдельные кулачки при суммировании, характеризуют требуемую осевую силу нажимного механизма. Однако при определении расчетного значения осевой силы необходимо учесть, что выходу кулачков из зацепления будет препятствовать не только нажимное устройство, но и сила трения подвижной кулачковой втулки о шлицы полумуфты Ffrш, которую на основе расчетной схемы (рис. 4.5 б) можно вычислить как
, (4.52)
где – коэффициент трения в шлицах (≈ 0,15).
Таким образом, окончательное значение суммарной на Zк кулачках требуемой осевой силы нажимного механизма (пружин в рассматриваемой конструкции):
. (4.53)
Силовой анализ кулачкового зацепления позволяет ответить на вопрос о нагрузке всех перечисленных выше силовых элементов и прогнозировать их отказы и критерии работоспособности.
Кулачки. Рабочие поверхности кулачков нагружены нормальной силой Fn, реализуемой напряжениями смятия, условие их работоспособности в соответствии с (4.3) запишется так:
, (4.54)
где площадь смятия принята . Допускаемые напряжения смятия [σ]см принимаются из условия предотвращения износа кулачков. С этой же целью материал для кулачковых венцов назначают таким, чтобы при соответствующей химико-термической обработке обеспечивали твердость поверхности не ниже 40 HRc.
Зависимость (4.54) описанными выше методами приводится к проектным формулам решением ее относительно одного из перечисленных параметров Zk; Dc; b; h. К примеру, относительно среднего диаметра кулачков
. (4.55)
При этом всеми неизвестными параметрами предварительно нужно задаться. Делают эту операцию на основе изучения опыта проектирования кулачковых муфт (общие замечания по этому поводу см. подраздел 4.1.3).
Тело кулачка подвергается изгибу силой . Расчетная модель строится на принятии кулачка условно в виде жестко защемленной балки с нагрузкой, приложенной к вершине кулачка (см. рис. 4.5 в). Уравнение прочности по изгибным напряжениям (4.40) применительно к обсуждаемой муфте примет вид
. (4.56)
Осевой момент инерции опасного сечения у основания кулачка принят условно как для прямоугольника с размерами b и S, которые обозначены пунктиром на рис. 4.5 в. Проверочная зависимость (4.40) также может быть преобразована в проектную, если изгибное разрушение кулачка становится наиболее опасным отказом. Последнее случается крайне редко, по причине чего расчет на изгиб кулачка обычно не производится.
Полумуфта 1. Тело полумуфты передает крутящий момент Тр с вала на подвижную кулачковую втулку или наоборот и работает на кручение. Математические модели проверочных и проектных расчетов в подобных случаях рассмотрены выше применительно к фланцевым муфтам (см. подразделы 4.1.2 и 4.1.1). В качестве расчетного сечения следует принять минимальное по размерам ее сечение 1-1 по канавке для выхода фрезы при нарезании шлиц (см. рис. 4.4). Там же изложен и расчет шпоночного паза. Силовым элементом полумуфты также является шлицевое соединение с подвижной кулачковой втулкой. Расчет шлицевых соединений основан на обеспечении прочности по напряжениям смятия и износостойкости рабочих поверхностей.
Рис. 4.5. Расчетные модели силового и прочностного анализа
кулачковой предохранительной муфты: а – кулачкового зацепления;
б – требуемой осевой силы пружин (нажимного механизма); в – изгибной прочности кулачков
Применительно к шлицам подвижной втулки более значимым является критерий износостойкости. По принятой универсальной методике расчет для обоих критериев проводится по напряжениям смятия [4]. Математическая модель критерия (4.7) в данном случае приобретает вид
, (4.57)
где – тангенциальная сила, нагружающая один из шлиц;
– средний диаметр шлицевого соединения;
– высота шлица;
– рабочая (совместная) длина шлица.
Допустимые напряжения смятия [σ]см для подвижных шлицевых соединений, в которых перемещение происходит под нагрузкой, принимают в диапазоне (5…15) МПа. При этом материалы деталей соединения должны обеспечивать твердость рабочих поверхностей не ниже 40 HRc.
Отмеченные геометрические параметры шлиц первоначально назначаются в соответствии с принятым стандартом на них по наружному диаметру участка полумуфты под шлицы. Затем по (4.57) подвергаются проверочному расчету. Если размеры шлиц не обеспечивают соблюдение этого критерия, то есть шлицы являются слабым элементом в звене «полумуфта – подвижная кулачковая втулка», то в распоряжении конструктора можно выделить три переменные проектирования: увеличение длины lp, диаметра dm и изменение типа шлиц. В первых двух случаях (4.57) решают соответственно относительно требуемых значений lp или dm.
Кроме названных силовых элементов полумуфты, следует также назвать резьбу, нагруженную через гайку силой пружин Fпр. Под действием этой силы тело полумуфты растягивается, а витки резьбы срезаются и сминаются (в силовых резьбах более опасными считаются напряжения среза). По установившейся методике расчетов резьбовых соединений проверяют прочность растягиваемых элементов (в нашем случае прочность тела полумуфты), а работоспособность резьбы обеспечивается автоматически в силу принципа равнопрочности, заложенного в конструкцию стандартных гаек.
Втулка подшипника скольжения. Нагрузка на подшипник определяется степенью равномерности распределения окружных (тангенциальных) сил между кулачками. При абсолютном равенстве на всех кулачках сила, нагружающая вал и подшипники, отсутствует. При реальной точности изготовления деталей муфты равнодействующая приведенных к валу сил не равна нулю. Обычно принимают радиальную нагрузку на валы (подшипники):
. (4.58)
Критерием работоспособности подшипников скольжения наиболее часто является износостойкость, условие которой в простейшем случае обеспечивается ограничением удельных давлений . Рассматриваемый подшипник работает лишь при срабатывании муфты. По этой причине он, как правило, не является слабым элементом и его расчет опущен.
Подвижная кулачковая втулка. Силовой и прочностной анализ кулачков проведен выше и в дополнительных комментариях не нуждается. Тело втулки передает расчетный крутящий момент с кулачков на шлицы либо наоборот. Расчет втулки на крутильную прочность аналогичен расчету полумуфт. В качестве проверочных и проектировочных зависимостей, используя метод аналогии, можно применять (4.1), (4.21), (4.22).
Другим силовым элементом кулачковой втулки являются шлицы, которые передают крутящий момент Тр с полумуфты на рассматриваемую деталь или наоборот. Прочностной анализ шлиц выполнен выше применительно к полумуфте.
Кулачковый венец втулки также подвержен сжатию осевой составляющей силы взаимодействия кулачков и уравновешивающей ее силой пружин. Уровень напряжений сжатия в венце низок и на работоспособность втулки практического влияния не оказывает. По этой причине расчет втулки по напряжениям не производится.
Опорный стакан пружин. Регулировочная гайка. Эти детали находятся под действием силы Fпр. Напряжения сжатия в опорном стакане, как и в предыдущем случае, невелики и на его работоспособность не влияют. Размеры стакана назначаются из конструктивных соображений: наружный диаметр стакана и размеры шлиц принимают в соответствии с размерами кулачковой втулки, отверстий под пружины – по наружному диаметру пружин. В качестве регулировочной используют гайку круглую шлицевую по ГОСТ 8530 – 90. Как отмечено, при анализе полумуфт прочность резьбы обеспечивается в соответствии с принципом равнопрочности, заложенным при конструировании стандартных резьбовых деталей.
Пружины. Используемые в кулачковой муфте пружины сжатия нагружены силой , где – количество установленных пружин. Под действием этой силы каждый из витков нагружается крутящим моментом Тпр. Наличие этого момента поясняет рис. 4.6. Осевая сила Fпр1 относительно любого из сечений витков создает момент, равный , который уравновешивается моментом сопротивления скручиванию витка Tпр. Отсюда
. (4.59)
Рис. 4.6. Силовой анализ пружины и ее геометрия
Основным критерием работоспособности пружин считают прочность по напряжениям кручения под действием момента Tпр. Математическая модель этого критерия (4.1) применительно к пружинам с круглым профилем проволоки записывается так:
. (4.60)
Геометрические параметры пружины D и d (соответственно средний диаметр пружины и диаметр ее проволоки) обозначены на рис. 4.6. Коэффициент Кв, дополнительно введенный в (4.60), учитывает кривизну витков пружины и назначается по таблицам в зависимости от индекса пружины С [5]. Индекс пружины определяется соотношением . Для оптимального соотношения (4.1) может быть преобразовано в проектную зависимость. Если решить уравнение относительно диаметра проволоки, то
. (4.61)
Как всегда при проектных расчетах предварительно необходимо задаться неизвестными: и С. Поскольку , то решение задачи следует начать с назначения индекса пружины. Инженерной практикой выработан диапазон широко используемых значений С = 4…12. Указанный диапазон С зависит от вычисляемого диаметра проволоки. Поэтому решается задача в итерационном режиме. Первоначально задаются значением С в зависимости от ожидаемого диаметра проволоки. Если полученный диаметр d не соответствует ориентировочно принятому, то расчет повторяют с корректировкой С. Для назначения С и можно воспользоваться таблицей.
К назначению индекса пружины и коэффициента
|
Ожидаемый диаметр проволоки d |
||||||
|
d ≤ 2,5 мм – С = 5…12; d = (3…5)мм – С = 4…10; d = (6…12)мм – С = 4…9. |
||||||
|
С |
4 |
5 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
1,37 |
1,29 |
1,24 |
1,17 |
1,14 |
1,11 |
При назначении индекса пружин следует руководствоваться следующими соображениями. Увеличение С в случае сохранения числа витков пружины приводит к увеличению диаметральных габаритов пружин и увеличению их податливости. Увеличение размера пружин и в конечном итоге муфты, естественно, противоречит задаче получения минимальных размеров и материалоемкости обсуждаемого устройства. Однако при этом улучшаются такие эксплуатационные показатели работы муфты как снижение перегрузки при срабатывании кулачкового механизма, повышение точности срабатывания. Упругие характеристики двух различных по жесткости пружин приведены на рис. 4.7 .
Сравнение упругих характеристик податливой 1 и жесткой 2 пружин показывает, что для получения необходимой силы прижатия кулачков Fпр жесткую пружину необходимо деформировать на меньшую величину . При срабатывании муфты кулачки перемещаются в осевом направлении и дополнительно деформируют пружины на величину ∆λ, равную высоте кулачков h. В силу разной жесткости пружин на равную величину их дополнительной деформации они откликаются разными значениями прироста силы, причем ∆F1 < ∆F2 (прирост сил в сравниваемых пружинах). Следовательно, и силы срабатывания F1пр max < F2пр max и крутящие моменты T1max < T2max (рис. 4.7). Таким образом, использование податливых пружин снижает перегрузку элементов приводов, а также повышает точность срабатывания.
Рис. 4.7. Сравнительные характеристики пружин различной жесткости
Библиографический список
Оглавление
|
Введение…………………………………………………………………………………………. Раздел 1. Муфты их классификация и особенности применения…………………………… 1.1. Назначение муфт…………………………………………………………………………… 1.2. Классификация муфт механического принципа действия и особенности их применения………………………………………………………………………………………. 1.3. Изучение устройства конструктивных типов муфт, их исполнений и особенностей применения………………………………………………………………………………………. 1.3.1. Муфты нерасцепляемые…………………………………………………………………. 1.3.1.1. Муфты нерасцепляемые жесткие……………………………………………………… 1.3.1.2. Муфты нерасцепляемые жесткие компенсирующие………………………………… 1.3.1.3. Муфты нерасцепляемые упругие компенсирующие………………………………… 1.3.1.3.1. Муфты упругие компенсирующие с неметаллическими элементами……………. 1.3.1.3.2. Муфты упругие компенсирующие с металлическими элементами………………. 1.3.2. Муфты расцепляемые самодействующие………………………………………………. 1.3.3. Муфты комбинированные……………………………………………………………….. 1.4. Порядок выполнения лабораторных занятий и содержание отчета……………………. Раздел 2. Методика автоматизированного подбора серийных муфт на основе баз данных с использованием средств информационных технологий……………………… 2.1. Общие положения методики автоматизированного подбора серийных муфт с использованием средств информационных технологий…………………………………… 2.1.1. Общие положения методики автоматизированного подбора серийных изделий…… 2.1.2. Автоматизация составления технического задания и технической концепции на проектирование (подбор) муфты………………………………………………. 2.2. Автоматизированный подбор типоразмера серийных муфт на основе интерактивного диалога…………………………………………………………………………………………… Раздел 3. Методика построения объемных моделей муфт их составных элементов………. 3.1. Общие замечания по методике построения модели……………………………………… 3.2. Методика построения 3D моделей деталей муфт………………………………………... 3.2.1. Моделирование полумуфты 1 предохранительной кулачковой муфты……………... 3.2.2. Моделирование кулачковой подвижной втулки………………………………………. 3.2.3 Моделирование полумуфты дисковой полужесткой муфты…………………………. Раздел 4. Силовой и прочностной анализ муфт. Проверочные и проектные расчеты элементов муфт…………………………………………………………………………………. 4.1.Общие положения силового анализа и расчета муфт……………………………………. 4.1.1. Силовой анализ и проверочные расчеты полумуфт на примере муфты фланцевой... 4.1.2. Силовой анализ и проверочные расчеты соединительных элементов на примере муфт фланцевых…………………………………………………………………… 4.1.3. Проектные расчеты элементов муфт на примере муфты фланцевой………………… 4.1.4. Методы определения допустимого крутящего момента для подбора серийных муфт…………………………………………………………………..... 4.2. Силовой и прочностной анализ, расчет упругих муфт…………………………………... 4.2.1. Пример анализа и расчета муфт упругой втулочно-пальцевой ………...……………. 4.2.2. Силовой и прочностной анализ оболочковых муфт на примере муфты с выпуклой оболочкой………………………………………………………………………………………… 4.3.Силовой и прочностной расчет предохранительных муфт на примере муфты кулачковой………………………………………………………………………………………... Библиографический список……………………………………………………………………... |
3 4 4 6 11 12 12 17 26 26 39 46 49 52 56 57 57 58 65 73 74 76 76 80 81 83 84 86 87 91 94 95 95 98 100 108 |
Вячеслав Васильевич Чернышев
Павел Александрович Ступак
Изучение конструкции муфт и элементов их проектирования
с использованием информационных технологий
Учебное пособие
Издание первое
Редактор Ю.Ф. Воробьева
Корректор
Технический редактор Г.В. Комарова
Подписано в печать .10.09
Формат 60х84/16 Бумага писчая
Физ. печ.л. Усл. печ. л. Уч.-изд.л.
Тираж 150 экз. Заказ № С –
Редакционно-издательский центр ТГТУ
170026, г.Тверь, наб. А. Никитина, 22